JP2009296153A - 指向性スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】音響管の周囲に均一な音場が形成されるようにして、所望の狭指向性を実現する指向性スピーカを提供する
【解決手段】音を発生するスピーカと、スピーカと一端が接続し、外周に設けた複数の放音孔からスピーカで発生した音を放射する音響管とを備えた指向性スピーカにおいて、複数の放音孔は、音響管の中心線に沿って外周に所定の間隔で設けられ、放音孔を設けた音響管の中心線の一点を中心とする外周上に少なくとも２つ以上の放音孔を配置して、音響管の周囲に均一な音場を形成し、より狭い指向性で音を放射する。
【選択図】図１

Description

この発明は、側面に放音孔を開口した音響管を有し狭指向性の音場を形成する指向性スピーカに関するものである。

従来から通常のスピーカユニットを用いて狭い指向性（以降、狭指向性と称する）を実現する方式が存在する。狭指向性スピーカを実現する方式を大別すると、パッシブ方式とアクティブ方式に分類される。
パッシブ方式は、従来のスピーカを１個又は複数個使用し、スピーカ周辺形状や空間配列（幾何学的配列）を工夫して、狭指向性を実現する方式である。
アクティブ方式は、従来のスピーカを複数個配列（アレイ化）し、信号処理回路が各スピーカの駆動信号のレベルや位相を制御して、狭ビームの形成や音放射方向の変更を行う方式である。パッシブ方式は比較的安価に構成できるのに対し、アクティブ方式は緻密な信号処理を実施することにより、音放射方向や指向性の幅を精度よく変えられる反面、設計や製造コストが上昇して、製品価格が高価なものになる傾向がある。
パッシブ方式の指向性スピーカとして、例えば、特許文献１に開示されているようなものがある。この指向性スピーカは、側面の長さ方向に一定間隔で小穴（放音孔）が設けられた音響管と、その一端にスピーカを取り付ける構成において、スピーカの音を音響管内に放射することにより音響管延長方向に狭い指向性が得られる指向性スピーカである。

特開平１１−２３４７８４号公報

従来の指向性スピーカは、放音孔が音響管側面の稜線上に一直線に開口しているために、音響管の軸と垂直方向に離れた周囲では不均一な音圧分布になっていた。例えば、放音孔と反対方向の音圧は放音孔のある側に比べ低くなり、特に周波数が高い場合その傾向が強くなる。そのため、目的の方向への最大の放射ビームであるメインローブは、音響管の中心軸延長線上から傾いた方向に形成されてしまい、所望の指向性を得ることができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、音響管の周囲に均一な音場が形成されるようにして、所望の狭指向性を実現する指向性スピーカを提供することを目的とする。

この発明の指向性スピーカは、音を発生するスピーカと、スピーカと一端が接続し、外周に設けた複数の放音孔からスピーカで発生した音を放射する音響管とを備えた指向性スピーカにおいて、複数の放音孔は、音響管の中心線に沿って外周に所定の間隔で設けられ、放音孔を設けた音響管の中心線の一点を中心とする外周上に少なくとも２つ以上の放音孔を配置したものである。

この発明の指向性スピーカによれば、放音孔は音響管の中心線に沿って外周に所定の間隔で設けられるとともに、音響管の中心線の一点を中心とする外周上に少なくとも２個以上設けられているので、均一な音場形成が可能となり、狭い指向性の音場を形成することができるという効果がある。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による指向性スピーカ１の概念を示す全体斜視図であり、図１に示すように指向性スピーカ１は、スピーカ１０、キャビネット１１、音響管２０から構成されている。

スピーカ１０は、周知のスピーカ構造を有するものであり、振動板、コイル、磁石等からなり駆動信号をオーディオ振動に変換して音を放射するように構成されている。このスピーカ１０が、キャビネット１１の円筒部に収納され、キャビネット１１のテーパ状の連結部を介して音響管２０に接続されている。

音響管２０は、中心軸に垂直な断面が円形の筒状であり、この音響管２０の中心線に沿って外周の軸方向に一定の間隔ｄ毎に設けられ、音響管２０の中心線の一点を中心とする外周に４個の放音孔２１が設けられており、４個の放音孔２１は音響管２０断面を中心軸から９０°に均等間隔になるように配置されている。また、音響管２０のスピーカ１０が接続されている一端と対向する他端には音を吸収する例えば、軟質ウレタンフォーム、ガラスウールなどの多孔質材料を用いた吸音部２２が設けられている。

このように、実施の形態１の指向性スピーカ１の音響管２０は、外周の軸方向に一定の間隔ｄ毎に４個の放音孔２１が中心軸からそれぞれ９０°の開き角で対向するように配置されるように構成した。

次にこの構成の指向性スピーカ１による音場の形成について説明する。
スピーカ１０に駆動信号が印加されると、スピーカ１０から発生した音は、キャビネット１１の連結部を介して音響管２０に入り、音響管２０の他端方向へ伝搬し、音を吸収する吸音部２２に達する。この過程でスピーカ１０に近い放音孔２１から順次外部に放射され、伝搬方向に遅延を持った音が発生する音場が創生されるので、音響管の延長方向に指向性領域３０が形成される。放音孔２１は音響管２０の中心軸から外周に向かって９０°の角度で均等間隔に開口しているので、音響管２０の中心軸に垂直な面内がほぼ同心円状の音場が創生される結果、音響管２０の中心軸の延長線上に所望通りの指向性領域３０が形成される。

ここで、本発明に係る指向性スピーカ１のシミュレーション例を示す。
指向性スピーカ１のシミュレーションモデルは、音響管２０が内径１０ｃｍ、外径１４ｃｍ（肉厚２ｃｍ）、長さ１４０ｃｍ、放音孔間隔ｄ＝３ｃｍ（同一円周上４個）のものとした。

シミュレーションモデルの音響管２０内部は、波長に比べて管径の細い音響管２０内を伝搬する音波が、音響管２０の管壁で反射を起こさずその平面波が管軸方向のみに伝搬して進行するとした音響管理論式を適用し、音響管２０外部は音響管２０の側面に開口した放音孔２１を点音源と近似した点音源理論式を適用した手法であり、これにより算出した指向特性を図２に示す。

図２は、周波数５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚそれぞれの指向性ポーラーパターン図である。０°方向（図２の上方）が音放射方向で、音響管２０の中心軸を延長した方向である。図２において、中心から外周に向かう半径方向のスケールは音圧ｄＢ値（０°方向の音圧レベルで規格化したもの）である。

それぞれの周波数における０°方向メインローブの半減全角（音圧レベルが半分となる両側合計の角度）は、約９０度、約７０度、約４０度、約３０度という結果である。このように周波数による依存性は存在するものの、それぞれ周波数における目的の方向以外の音放射を示すサイドローブの音圧レベルは０°方向に対して１０ｄＢ以下となっており、９０度に向かって音圧レベルが低下する。さらに、１０００Ｈｚ以上では、目的の方向に対する９０度以上の後方の音放射（バックローブ）の音圧レベルは０°方向に対してほぼ２０ｄＢ以下を示す。以上から、本発明による指向性スピーカは、メインローブの音圧レベルが横方向のサイドローブ及び後ろ方向のバックローブの音圧レベルより大きく、音放射方向に正確に狭指向性の状態が実現できていることが分かる。

このように、実施の形態１の指向性スピーカ１は、放音孔２１が、音響管２０断面を９０°に分割するような音響管２０外周に設けられ、軸方向の間隔ｄ毎に配置されるように構成したので、均一な音場形成が可能となり、所望する指向性で音を放射することができるとともに、所望する指向性の音場を形成するスピーカの設計精度を向上させることができる。

なお、実施の形態１では、音響管２０中心軸の間隔ｄ毎の一点につき、その垂直な面に４個の放音孔２１が存在する例について述べたが、放音孔２１は２個（開き角１８０°）、３個（開き角１２０°）あるいは５個以上の個数であってもよく、個数が多いほど音場の均一性が増すことになる。

実施の形態２．
図３は実施の形態２の指向性スピーカ１の音響管２０を示す側面図である。
実施の形態１の指向性スピーカ１の音響管２０は、外周の軸方向に一定の間隔ｄ毎に４個の放音孔２１が中心軸からそれぞれ９０°の開き角で対向するように配置されるようにしたが、実施の形態２は、図３に示すように一定の間隔ｄ毎の放音孔２１を交互に４５°ずつ回転させた位置に配列したものである。

また、この放音孔２１の配置位置を少しずつ回転させることで、図４（ａ）に示すように音響管２０の外周の軸方向に連続する複数の放音孔２１の配置が螺旋状になる。
また、図４（ｂ）は、この螺旋状配列の放音孔２１を２列で配列した音響管２０を示しており、３列、４列等の多重螺旋状にしてもよく、音響管長手方向の放音孔２１の間隔を短くすると、より音場均一化のために好ましい。

このように、実施の形態２の指向性スピーカ１によれば、放音孔２１が、音響管２０断面を９０°に分割するような音響管２０外周に設けられ、軸方向の間隔ｄ毎に連続する放音孔２１の位置を直線上からずらすように配置されるように構成したので、均一な音場形成が可能となり、より狭い指向性で音を放射することができるとともに、狭い指向性の音場を形成するスピーカを設計することができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３の指向性スピーカ１の音響管２０を示す側面図である。
実施の形態１，２においては、音響管２０の放音孔２１の配列を変化させた構成を示したが、実施の形態３は、放音孔２１の深さを変化させる構成にしたものである。

指向性スピーカ１は、スピーカ１０によって発生させた音が、音響管２０内を伝搬し、放音孔２１から外部へ放射されることになり、この放射音の指向性が、音響管２０内部の寸法、及び放音孔２１の寸法、形状に依存される。
例えば、音響管２０の内部の寸法（内径、長さ）を固定した場合、放音孔２１は音響管２０内から見れば規則的に分布する音響負荷になるため、放音孔２１の寸法や形状を変化させると、放音孔２１から放射される音の強さなどが放音孔２１の長さ方向に変化して、結果として形成される指向性が影響を受ける。
そこで、本実施の形態３の指向性スピーカ１は、放音孔２１の深さ方向の長さ（音響管２０の肉厚）を変化させるアダプタ２５を設ける構成にした。

アダプタ２５は、図５に示すように、音響管２０の放音孔２１と同じ配列で孔部が配設されたリング（環状）形状であり、音響管２０を挿入して孔部を放音孔２１の開口部の位置に合わせて取り付けられて放音孔２１の深さ方向の長さを延長している。このように放音孔２１の深さ方向の長さを延長すると、指向性領域３０に形成される指向性は狭くなる。

このように、実施の形態３の指向性スピーカによれば、音響管２０の外周に放音孔２１の深さ方向の長さを延長するアダプタ２５を設ける構成にしたので、音響管の周囲に均一な音場を形成でき、より狭い指向性で音を放射することができるとともに、狭い指向性の音場を形成するスピーカを設計することができる。

なお、このアダプタ２５の孔部の深さ方向の長さは、所望する指向性に応じて設計される。

実施の形態４．
実施の形態３においては、アダプタ２５により音響管２０の放音孔２１の長さを長くする構成について説明したが、実施の形態４は、放音孔２１の断面形状を変化させるものである。
図６は、放音孔２１の断面形状を示す音響管２０の一部断面図であり、図６（ａ）はストレートホーン状の放音孔２１を示し、図６（ｂ）は曲面ホーン形状の放音孔２１を示し、図６（ｃ）は音響管２０の内周及び外周に拡がり連続的に断面積が変化する曲面断面の放音孔２１を示している。

このように実施の形態４の指向性スピーカ１によれば、放音孔２１の断面形状を音を放射する外部方向にテーパ状に拡がるように変化させ、放音孔２１の深さ方向の断面積は音響管２０の外壁側の開口部が大きくなるように形成することで、音響管２０軸に垂直な方向に放射する音波は拡がり各放音孔の深さ方向の音が混合して音が打ち消されるとともに、音響管２０の中心線方向に放射された音波が強め合うので、音響管の周囲に均一な音場を形成でき、より狭い指向性で音を放射することができる。

なお、本実施の形態４で示した放音孔の形状以外でも、音響管外壁側の開口部が内壁側の開口部より大きい断面であれば、同様の効果を得ることができる。
また、音響管２０の内部の寸法（内径、長さ）を固定しない場合、音響管２０の長手方向に内径を順次小さくする、あるいは、大きくするように構成することで、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
実施の形態１から実施の形態４においては、スピーカ１０の一方から発生する音を放射する指向性スピーカ１を説明したが、実施の形態５は、スピーカ１０後面の音も積極的に利用する構成にしたものである。

図７は、実施の形態５の指向性スピーカ１の構成を示す全体斜視図であり、指向性スピーカ１は、図１に示すような音響管２０を二つ組み合わせた構成である。
音響管２０は、スピーカ１０をその振動板に対向する両面からテーパ状の連結部で覆うように支持しており、スピーカ１０の両側の音響管２０の中心軸が一直線上になるように組み合わせられている。

一個のスピーカ１０の振動板の前後両面から発生された音は、逆位相（１８０度の位相差）の同じ音圧レベルで発せられ、音響管２０の放音孔２１からの放射音により、同じ指向性領域３０が二つの方向に形成される。

このように実施の形態５指向性スピーカ１によれば、スピーカ１０の振動板の面に対向するように両面に音響管２０が設けられた構成にしたので、音響管の周囲に均一な音場を形成でき、一つのスピーカにより二つの方向に狭い指向性領域を形成することができる。

なお、実施の形態５の指向性スピーカ１のスピーカ１０は、両面から同じ音圧レベルの音を放射する構成であり、例えば薄い樹脂膜の表面に蛇行形状の導体コイルが形成された振動膜及び永久磁石からなるガムーゾン型の電磁変換器を用いてもよい。

また、実施の形態５において、両側の音響管２０の中心軸が一直線上になるように組み合わせた構成について示したが、一方の音響管２０の中心軸を他方に対して傾きを持たせることで、指向性領域３０の方向を変えることもできる。

以上のように、本発明の指向性スピーカは、スピーカの振動板に対向する方向に設けられた音響管がその中心線の一点を中心とする外周に少なくとも２つの放音孔を有し、その放音孔が音響管の中心線に沿って一定の間隔で配置されるようにしたので、音響管の周囲に均一な音場を形成でき、より狭い指向性の音を放射することができる。

なお、上記実施の形態１〜５の指向性スピーカ１では、音響管２０が筒状の中心軸方向断面が円形状のものを示したが、これに限るものではなく、断面が多角形状であっても同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態１〜５を組み合わせることにより、所望の指向性を有するスピーカを設計することができる。

この発明の実施の形態１による指向性スピーカの外観を示す全体斜視図である。 この発明の実施の形態１による指向性スピーカの指向性ポーラーパターン図である。 この発明の実施の形態２による指向性スピーカの放音孔の配列を示す一部側面図である。 この発明の実施の形態２による指向性スピーカの放音孔の他の配列を示す一部側面図である。 この発明の実施の形態３による指向性スピーカの外観を示す一部側面図である。 この発明の実施の形態４による放音孔の形状を示す一部断面図である。 この発明の実施の形態４による指向性スピーカの外観を示す全体斜視図である。

符号の説明

１ 指向性スピーカ、１０ スピーカ、１１ キャビネット、２０ 音響管、２１ 放音孔、２２ 吸音部、２５ アダプタ、３０ 指向性領域。

Claims (5)

1. 音を発生するスピーカと、前記スピーカと一端が接続し、外周に設けた複数の放音孔から前記スピーカで発生した音を放射する音響管とを備えた指向性スピーカにおいて、
   前記複数の放音孔は、前記音響管の中心線に沿って外周に所定の間隔で設けられ、
   前記放音孔を設けた前記音響管の中心線の一点を中心とする外周上に少なくとも２つ以上の前記放音孔を配置したことを特徴とする指向性スピーカ。
2. 複数の放音孔を音響管の外周に多重の螺旋状に並べて配置したことを特徴とする請求項１記載の指向性スピーカ。
3. 外周に孔部を形成した環状形状を有し、音響管を挿入して前記孔部を放音孔の開口部の位置に合わせて取り付けることにより、前記放音孔の深さ方向の長さを延長するアダプタを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の指向性スピーカ。
4. 放音孔は、音響管外壁側の開口部が内壁側の開口部より大きい断面であることを特徴とする請求項１から請求項３記載の指向性スピーカ。
5. スピーカは、音の放射方向を前方及び後方に有し、
   ２つの音響管を前記スピーカの前方及び後方にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の指向性スピーカ。

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