JP2009515457A

JP2009515457A - 電気音響変換器の周波数応答を最適化するための構成

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Publication number: JP2009515457A
Application number: JP2008539567A
Authority: JP
Inventors: ゴラマリ、ハッダード; エルンスト、ルバール; カール、ポルディー
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2009-04-09
Also published as: CN101305640A; WO2007054878A1; US20080240482A1; EP1949749A1

Abstract

電気音響変換器（１０）の周波数応答を最適化する構成であって、電気音響変換器（１０）と、電気音響変換器（１０）のメンブレン（１４）の音を発する又は受ける側の背後に配置された減衰要素（１２）とを備え、減衰要素（１２、１３）とメンブレン（１４）の間に空隙（１６）が設けられ、メンブレン（１４）を減衰要素（１２、１３）に密接に音響的に結合するように空隙（１６）は十分小さく、メンブレン（１４）が動くときメンブレンによって発生される空気流を減衰するように減衰要素（１２、１３）が適合される構成。

Description

本発明は、電気音響変換器の周波数応答を最適化するための構成に関する。

本発明はまた、スピーカ又はマイクロフォンに関する。

本発明は最後に、スピーカ・キャビネット、特に小型のマルチメディア装置、例えば移動電話（即ち、携帯電話）のハウジングに関する。

スピーカ又はマイクロフォンなどの電気音響変換器のメンブレンは、「モード」とも呼ばれる１つ又は複数の特徴的な固有の振動又は固有振動を有し、これらのモードは、変換器の周波数応答に影響を及ぼす。特に、このようなモードは、周波数応答に望ましくない変則性（ピーク、くぼみ、及び反転ポイント）を引き起こす。しかし、原音に忠実な音響再生を実現するためには、平坦な周波数応答が望ましい。特に、平坦なメンブレンは、ほぼ剛板から形成されており、モードの影響を受けやすいが、円錐形状のメンブレン、及びリジッドでない軟質のメンブレンなどの他のメンブレンもモードを発生する傾向がある。従って、原音に忠実な音響再生を実現するためには、周波数応答に対するモードの影響を制限することが重要である。

モードの影響を低減する１つの知られている方法は、吸音材、例えばグラスウールを用いてメンブレンを減衰するものである。最適な吸収効果を得るために、吸音材はメンブレンに密着される。米国特許第４２７６４５２号には、メンブレンの固有振動が、メンブレンの表面全体に一様に接触する吸音材によって効率的に抑制される電気音響変換器が記載されている。開示された吸収方法の１つの欠点は、電気音響変換器、特にそのメンブレンの再構築が必要になるので、既存の電気音響変換器には適用できないことである。従って、これは、電気音響変換器の周波数応答に対するモードの影響を低減するには費用のかかる方法である。

本発明の目的は、上記の欠点が回避される、冒頭の段落に記載のタイプの構成、第２の段落に記載のスピーカ及びマイクロフォン、第３の段落に記載のスピーカ・キャビネットを提供することである。

上記の目的を達成するために、電気音響変換器の周波数応答を最適化する構成であって、電気音響変換器と、前記電気音響変換器のメンブレンの音を発する又は受ける側の背後に配置された減衰要素とを備え、前記減衰要素と前記メンブレンの間に空隙が設けられ、前記メンブレンを前記減衰要素にリジッドに音響的に結合するように前記空隙が十分小さく、前記メンブレンが動くとき前記メンブレンによって発生される空気流を減衰するように前記減衰要素が適合される構成が、提供される。

更に、上記に記載の目的を達成するために、スピーカ又はマイクロフォンは、本発明による、電気音響変換器の周波数応答を最適化するための構成を備える。

最後に、上記に記載の目的を達成するために、スピーカ・キャビネットは、本発明による構成の一部としてスピーカ及び減衰要素を備える。本発明はまた、１つ又は複数の一体型スピーカ及び／又はマイクロフォンを有する移動マルチメディア装置、例えば移動電話（即ち、携帯電話）のハウジングに適用可能である。

本発明による独特の特徴は、減衰要素によって、又は、より正確に言えば特徴的な固有の振動又は固有振動を低減するためにメンブレンと減衰要素をできるだけリジッドに音響的に結合することによって、周波数応答に対する、電気音響変換器のメンブレンの特徴的な固有の振動又は固有振動即ちモードの影響が、効率的に低減されるという利点をもたらす。本発明で用いられる「リジッドな（ｒｉｇｉｄ）」という語、及び「リジッドな音響的結合」及び「密接な音響的結合」という用語はすべて、メンブレンによって動かされるほぼ全部の空気量が減衰要素を通って流れ、わずかな空気流だけが減衰要素を迂回することを意味する。「リジッドな音響的結合」とは、米国特許第４２７６４５２号で知られる、減衰要素とメンブレンの機械的結合を意味しないことが強調されるべきである。特に、本発明による方策により、電気音響変換器の周波数応答は、顕著な変則性の無い平坦な周波数応答に、より良く近づくという点で改善することができる。これによって変換器の音響再生を、本発明の方策が無い場合よりも、より原音に忠実にすることができる。本発明による減衰要素は、減衰要素と変換器のメンブレンの間で、メンブレンの変位によって動かされる空気の減衰を生ずる。即ち、減衰要素は、空気流の運動エネルギー即ち音響エネルギーから熱エネルギーへの変換を引き起こし、従って電気音響変換器のメンブレンによって発生される音の吸収を引き起こす。空気減衰は、周波数応答の、１つ又は複数の変則性のＱ（品質ファクタ）を減少させることができる。本発明によれば、より低い音響周波数範囲の特性振動だけでなく、より高い音響周波数範囲の特性振動も効率的に低減することができる。本発明は、スピーカ又はマイクロフォンなどの任意の電気音響変換器、或いは、１つ又は複数のスピーカを備えるスピーカ・キャビネットに適用することができる。更に本発明は、平面板、円錐形、又はドーム形状のメンブレンを有する電気音響変換器に適用することができる。本発明は、米国特許第４２７６４５２号に開示された変換器とは異なり、簡単な構成であり、変換器の再構成を必要とせず、既存の変換器に適用することができる。

空気キャビティ内の定在波を減衰するために、スピーカ・キャビネットの内部、又はその音響チャネル内に吸音材を入れることが知られていることに留意されたい。これらの波は、キャビネットの硬質の内壁での音波の反射により、キャビネットの幾何学的寸法に応じてある周波数（即ち、空気の振動によって引き起こされるキャビネットのモード）で生ずる。しかし、従来技術によれば、電気音響変換器の周波数応答を最適化するように、即ち、メンブレンにリジッドに結合された、減衰された空気流（即ち、空気中の波）を用いて、変換器メンブレンのモード（即ち、中実体における波）を減衰するようには吸音材は用いられていない。

メンブレンに面する面積が少なくともメンブレンの面積と同じとなるような寸法を減衰要素が有する場合は、モードの影響のさらなる低減を実現することができる。この方策は、メンブレンの変位によって動かされる空気が、減衰要素を迂回するのを回避する。

減衰要素の固有振動の発生を避けるために、メンブレンの音を発する又は受ける側の背後に減衰要素をリジッドに取り付けることができる。

メンブレン固有振動の極めて効率的な低減を達成するために、空隙はできるだけ小さくすることができる。というのは、等価音響回路における体積は音響コンプライアンスを意味しており、音響コンプライアンスは電気音響変換器の音響インピーダンスの虚部を表し、できるだけ小さくすべきであるからである。空隙のサイズの下限は、メンブレンの最大変位量又は可能な最も大きな変位量によって決定される。従って、空隙のサイズは、メンブレンの可能な最も大きな変位量よりわずかに大きくすることが好ましい。これはスリットであるので、音に対する減衰抵抗Ｒ（図４参照）は、メンブレンと、音響的に硬質の壁面との間の隙間ｄ（ｄは、空気流に対して垂直な、有意の最小寸法）の３乗に反比例する。従って、望ましい減衰は、この関係により減衰要素とメンブレンの間の空隙を決定することによって実現される。

本発明の一実施形態によれば、要素全体にわたって分配され、メンブレンによって動かされる空気を受け取るために要素の表面上に複数の開口を有する、複数のチャネルを減衰要素が備えることができる。これらの音響チャネルの機能は音響エネルギーを受け取ることである。チャネル内では、受け取った音響エネルギーは、主に、チャネル内を流れる空気とチャネルの壁面の間の粘性摩擦によって、熱エネルギーに変換される。

チャネルは、スリット形状、ホ−ル形状、又は無定形とすることができる。

受け取った音響エネルギーの熱エネルギーへの効率的な変換を達成するために、それらが減衰要素を通過し、それにより減衰要素の一方の側でチャネルに入る音は、他方の側で減衰要素から出ることができるように、チャネルを形成することができる。

代替として、チャネルは閉じられてもよい。特にチャネルが閉じられた場合は、メンブレンによって発生された、入って来る空気流の運動エネルギーが減衰要素内でほぼ完全に熱エネルギーに変換されるようにチャネル深さを選択することができる。

電気音響変換器からの音を吸収するために、減衰要素は、ホ−ル及びスリットの他に、無定形の多孔質材料を備えることもできる。

経験的には、チャネル即ち細孔の直径は、約０．１ミリメートル未満とすべきであり、というのは、この場合には、効率的な吸音のために望ましい減衰が、２．５ＫＨｚまでの周波数範囲内で効果をもたらすからである。図４を参照されたい。大部分の異なるタイプのメンブレンは、この周波数範囲内に固有振動数を有する。一般に、減衰効果のある上限周波数は、チャネル即ち細孔の直径が小さくなるにつれて高くなる。従って、減衰要素、又はメンブレンの固有振動に対するその効果は、チャネル即ち細孔の直径を選択することによって、特定の電気音響変換器及びそのメンブレンに適合させることができる。異なる直径のチャネル即ち細孔に、それぞれ異なる音響特性を同時に与えることによって、メンブレンの異なるモードを減衰することができる。

更に、減衰要素は板のような形状であることが好ましい。板は容易に製造することができ、異なるメンブレン形状に適用することができる。減衰板は、減衰板とメンブレンの間の空隙を正確に調整することができるので、平面メンブレンを有する電気音響変換器用に最も適している。

好ましくは、減衰要素によって受け取られた音の反射が減衰要素の外側限界表面で本質的に生じないように板の厚さが選択される。

本発明の他の実施形態によれば、順に背後に配置された減衰材料のいくつかの層を減衰要素が備えることができる。従って、極めて効率的な吸音を達成するために、異なる材料の吸音効果を組み合わせることができる。

他の実施形態によれば、変換器は、圧電型、電磁型、アイソダイナミック型、又はその他のダイナミック型から選択される。本発明の上記に記載の態様及び他の態様は、以下に述べる例示的実施形態から明らかとなり、この例示的実施形態に関して説明する。

本発明は、例示的実施形態に関して以下でより詳細に説明する。しかし本発明は、この例示的実施形態に限定されない。

以降の説明では、同一、同様、及び機能的に同一又は同様な要素は、同じ参照番号によって示される。

図１は、例えば剛板である平面メンブレン１４を有するスピーカ１０として構成された電気音響変換器を示し、メンブレン１４は、例えばスピーカ１０のための開口を有する壁面である音響的に「開いた」ハウジング２８の開口内に取り付けられる。スピーカ１０のメンブレン１４は、メンブレン１４が妨げられずに振れる又は振動することができるような可撓性のサスペンション２６によって、ハウジング２８に取り付けられる。

多孔質材料を備える板状の減衰要素１２は、メンブレン１４と減衰要素１２の間に小さな空隙１６だけが設けられるように、メンブレン１４の音を発する側のすぐ背後に、リジッドに取り付けられる。変換器１０の周波数応答に対するメンブレン１４の固有振動の影響を最適に低減するために、メンブレン１４が減衰要素１２に接触せずにできるだけリジッドに音響的に結合されるようなサイズに空隙１６が設定される。

通常、メンブレン１４が減衰要素１２に突き当たり、それにより歪を生ずることがないようにするために、メンブレン１４の可能な最も大きな変位量３０よりわずかに大きいサイズに空隙１６が設定される。メンブレン１４の振動によって発生される空気流３２の大部分が減衰要素１２を迂回し、それにより減衰要素１２の効果が大幅に低下するほど大きなサイズには空隙１６は設定することはできない。

吸音の程度は、図４の上部の式に従って、減衰要素１２の厚さに依存する。理解されるように、メンブレン１４によって発生される空気流の大部分が減衰要素１２を迂回できるようになるのを避けるために、減衰要素１２の寸法がメンブレン１４の寸法よりも大きくなるように選択される。減衰要素の形状は、メンブレンの形状に適合され、即ち、メンブレン１４の面積全体にわたってほぼ一定のサイズの小さな空隙１６を実現するために、メンブレンが円錐又はドーム形状であれば、減衰要素１２も円錐又はドーム形状とすべきであることに留意されたい。

図１では更に、減衰要素１２とハウジング２８の間に小さなスリットが設けられ、これも減衰のために設けられる。このような構成は、望ましい音響特性を有する減衰要素１２をメンブレン１４の背後に配置することができない場合（例えば限られたスペースにより、メンブレンの背後に、薄く、リジッドな、気密の板しか配置できないことが考えられる）に有用である。この場合は、前記の小さなスリットが、本発明の効果のために必要とされる、空気流の減衰をもたらす。他の場合において、（均質な）減衰要素１２及び前記スリットは、２つの異なる低域通過遮断周波数が定義されるように選ばれ（図４のホ−ル及びスリットをも参照）、従ってメンブレン１４の、より高次のモードが異なる程度で減衰される。遮断周波数の選択は、互いにまったく無関係に行うことができるので、設計者は、ほぼ自由により高次のモードを減衰することができる。しかし、図１に示されるスリットは、本発明の必須の特徴ではない。その代わりに、減衰要素１２とハウジング２８の間の接続は気密でもよい。

図２は、平面メンブレン１４、例えば剛板を有するスピーカ１０が取り付けられる開口を有する、音響的に閉じたハウジング２９を備えるスピーカ・キャビネット又はボックス３６が示される。図１の実施形態のように、スピーカ１０のメンブレン１４は、メンブレン１４が妨げられずに振れる又は振動することができるような可撓性のサスペンション２６によって、ハウジング２９に取り付けられる。

図１とは異なり、音響的に閉じたハウジング２９は、減衰要素１３としての多孔質材料によってほぼ完全に充填される。しかし、図１の実施形態のように、メンブレン１４を減衰要素１３にできるだけリジッドに音響的に結合するために、小さな空隙１６がメンブレン１４の音を発する側の背後に形成される。空隙１６のサイズに対しては、図１に関して述べたものと同じ基準が当てはまる。しかし、多孔質材料の層の厚さは、メンブレン１４から受け取られた音が多孔質材料内で十分に吸収されるように、大きくすべきであることに留意されたい。即ち、多孔質材料を通過する音のわずかな部分だけがハウジング２９内で反射されること、又はより好ましくはまったく反射されないことが重要である。経験的には、減衰要素３４の外側限界側部、又はハウジング２９の内側の側部上で殆ど反射が起きなければ、減衰要素１３即ち多孔質材料の厚さは、本発明の目的には十分である。減衰要素１３を通過する音は、十分に熱エネルギーに変換され、従って吸収される。

図３は、減衰要素１５の表面２４を示す。図は特に、本発明による減衰要素１５のための好ましい材料の３つの異なる種類を詳細に示している。左側には、スリット形状の開口１８を有するチャネル１９を備える材料をもつ減衰要素１５の表面２４が示される。スリット形状の開口１８は、音を受け取るために、表面２４の全体にわたってほぼ等しく分配される。中央には、ホ−ル形状の開口２０を有するチャネル１９を備える材料をもつ減衰要素１５の表面２４が示される。ホ−ル形状の開口２０は直径ｄを有する。右側には、無定形の開口２２を有するチャネル１９を備える材料をもつ減衰要素１５の表面２４が示される。

電気音響変換器によって発生された音は、開口１８、２０、又は２２から入り、チャネル１９に進入することができ、その中でそれらは空気減衰により熱エネルギーに変換される。詳細には、チャネル１９に進入した空気流とチャネル表面との間で摩擦力が生じ、それが空気流の方向の音響インピーダンスを引き起こす。複素音響インピーダンスの実部は、チャネル直径ｄの３乗に反比例する。表面２４上の複数の開口は、複数の単一チャネル１９の音響インピーダンスの並列構成と見なすことができる。従って、所望の摩擦係数を実現することができる。

本発明は、周波数応答に対するモードの影響を低減することによって、電気音響変換器１０の周波数応答を最適化することができるという利点を有する。これは、電気音響変換器１０の再構成を必要とせずに、電気音響変換器１０のメンブレン１４にできるだけリジッドに音響的に結合された減衰要素１２、１３、１５を用いて達成される。従って、モードのファクタＱは大幅に低減され、変換器の周波数応答は、より平坦になる。本発明は、上述の様々な材料を用いて低コストで実施することができる。本発明はまた、円錐、ドーム形状、又は平面メンブレンなどの様々なメンブレン形状を有する電気音響変換器に適用することができる。本発明は、スピーカ及びマイクロフォンに有利に適用することができ、特に高周波数範囲での周波数応答を改善する。

図４は、音響要素、それらの電気的等価回路、及び機械的寸法ｌ、ｂ、ｄ［ｍ］、Ｓ［ｍ^２］、Ｖ［ｍ^３］及び周波数ｆ［Ｈｚ］によって表されたＲ、Ｌ、Ｃ値を示す。流れの方向のくびれ部分の有効全長はｌである。円形ホールの場合は、有効全長ｌは幾何学的長さｌ_０と端部補正０．８５ｄの和に等しい。通常の条件では粘性係数は、η＝１．８６×１０^−５Ｋｇ／（ｍｓ）である。これは圧力に比例し、およそ絶対温度［Ｋ］に比例する。空気密度は、ρ＝１．２Ｋｇ／ｍ^３である。音速は、ｃ_０＝３４０ｍ／ｓである。空気の比熱比は、γ＝１．４である。Ｐ_{ａｔｍｏｓ}＝１０^５パスカルである。インピーダンスのアナロジーが用いられ、音圧［Ｐａ］は電圧［Ｖ］と等価であり、体積速度［ｍ^３／ｓ］は電流［Ａ］と等価である。Ｌ、Ｒ、及びＣに対する等価性は、１Ｈ≡１ｋｇ／ｍ^４、１Ω≡１ｋｇ／（ｍ^４ｓ）、ＩＦ≡１ｍ^４ｓ^２／ｋｇである。

最後に、上述の実施形態は本発明を説明するものであり、それを限定するものではなく、当業者なら添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、多くの代替実施形態を設計することが可能であることに留意すべきである。「備える」という語などは、請求項のいずれか又は明細書全体に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素の単数での参照は、そのような要素の複数での参照を除外するものではなく、その逆も同様である。複数の手段を列挙した、装置に関する請求項では、これらの手段のいくつかを同じ１つのハードウェア要素によって実施することもできる。単に、いくつかの方策が互いに異なる従属請求項中に記載されていることは、これらの方策の組合せが、利益を得るために利用できないことを示すものではない。

「開いた」状態の電気音響変換器の周波数応答を最適化するための、本発明による構成の第１の実施形態を示す図である。「閉じた」状態の電気音響変換器の周波数応答を最適化するための、本発明による構成の第２の実施形態を示す図である。本発明による減衰要素のチャネルの開口の、異なる実施形態を示す図である。基本の音響関係式、並びに音響要素及びそれらの電気的等価回路を示す図である。

Claims

電気音響変換器の周波数応答を最適化する構成であって、電気音響変換器と、前記電気音響変換器のメンブレンの音を発する又は受ける側の背後に配置された減衰要素とを備え、前記減衰要素と前記メンブレンの間に空隙が設けられ、前記メンブレンを前記減衰要素にリジッドに音響的に結合するように前記空隙が十分小さく、前記メンブレンが動くとき前記メンブレンによって発生される空気流を減衰するように前記減衰要素が適合される構成。
前記メンブレンに面する面積が少なくとも前記メンブレンの面積と同じとなるような寸法を前記減衰要素が有する、請求項１に記載の構成。
前記メンブレンの前記音を発する又は受ける側の背後にリジッドに前記減衰要素が取り付けられる、請求項１に記載の構成。
前記メンブレンの可能な最も大きな変位量より大きいサイズに前記空隙が設定される、請求項１に記載の構成。
前記減衰要素全体にわたって分配され、前記減衰要素の表面上に空気が流れる複数の開口を有する、複数のチャネルを前記減衰要素が備える、請求項１に記載の構成。
前記減衰要素を貫通するように前記複数のチャネルが形成される、請求項５に記載の構成。
前記複数のチャネルに入る空気流の運動エネルギーが前記減衰要素内で適切に吸収されるように前記複数のチャネルの深さが選択される、請求項５に記載の構成。
前記複数のチャネル即ち細孔の流れの方向に対して垂直な最小有効寸法が約０．１ミリメートル未満である、請求項５から７に記載の構成。
前記減衰要素の外側限界表面で生じる音の反射が減衰機能にとって本質的なものでないように前記減衰要素の厚さが選択される、請求項１に記載の構成。
前記請求項のいずれかに記載の構成を備える、スピーカ又はマイクロフォン。
前記請求項１０に記載の少なくとも１つのスピーカを備える、スピーカ・キャビネット。
前記請求項のいずれかに記載のように構成された、１つ又は複数の一体型スピーカ及び／又はマイクロフォンを有する移動装置のハウジング。