JP2010050863A - スピーカーシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】擬似呼吸球方式・全指向性球形スピーカーシステム10のように複数の同等スピーカーユニット13を球形筺体11の表面に均等に配置して同相駆動するスピーカーシステム10に於いて、各スピーカーユニット13から等距離である位置にヘルムホルツ共振による低音域補強を為す音響ポート15の筺体内側開口部16を配置する。
【選択図】図1
Description
つまり、スピーカーシステムにあっては、入力された電気信号の全てを忠実に音波に変換して聴取空間に放射する機能に特化すべきであり、即ち、出力指向性周波数特性・出力音圧周波数特性いずれもがフラットなスピーカーシステムこそが、高品位音場再生に供するに相応しい、真に高性能なスピーカーシステムと言える。
位相反転型方式とは、使用スピーカーユニットの固有定数と、筺体内容積と、筺体内外を繋ぐバスレフダクトと呼ばれる音響ポートの開口面積と長さとで決まる特定周波数(補強したい低音域)でのヘルムホルツ共振を利用して、スピーカーユニット振動板の背面から筺体内に放射された音波の位相を反転させ、振動板前面からの音波の位相に揃えて、音響ポートを通じて筺体外側開口部より筺体外へ放出することにより、スピーカーユニット振動板前面から放射された音波に相乗させて、使用ユニット本来の低音再生能力を補強する仕組みであり、現代のスピーカーシステムでは非常にポピュラーな方式である。
但し、「バックキャビティー」とは、スピーカーユニットが振動板背面からの音波を放射する閉空間のことで、「筺体内空間を共通のバックキャビティーとして共有する複数の同等のスピーカーユニット」とは、複数の同等のスピーカーユニットの全てが、同一の筺体内空間中に振動板背面からの音波を放射することを意味する。
また、ここで言う「複数の同等のスピーカーユニット」とは、基本的には同一メーカー且つ同一型式であることを指し、最低共振周波数、実効振動板面積、振動系等価質量、等価Q、能率などのスペックの、量産品としての常識範囲内での特性誤差は許容するものである。これは、即ち、最低共振周波数、実効振動板半径、振動系等価質量、等価Q、能率などのスペックが同等ならば、必ずしも同一メーカー且つ同一形式である必要も無いとの意味も含む。つまり、同一の入力に対し略同一の出力を得るスピーカーユニット群との意味を含むものである。
また、「全ての前記スピーカーユニットの振動板中心からの距離が等しくなる位置」とは、厳密に「イコール」ではなく、以後記載する本発明による効果を得られる範囲内(実験より、具体的にはスピーカーユニットからの距離の約10パーセント以内)の誤差偏位は許容するものであり、以降の同様の表記に対しても同じく適用するものである。
また、「筒状」とは、その断面形状を円形に限るものではなく、角形、楕円形、あるいは任意の断面形状を形成する筒状でよい。
このように、音響ポート入口を置くべき「各スピーカーユニット振動板中心からの距離が全て等しい点」が少なくとも存在し、且つ、同相駆動する複数の同等のスピーカーユニットの各振動板背面から真後方に放射される音響エネルギーのベクトル(方向と大きさ)の全てが唯一の点でバランスするためには、全てのスピーカーユニットを同一円周上に均等に配置しその円周の中心から放射方向に向けて取り付けるか、又は、全てのスピーカーユニットを同一球面上に均等に配置しその球の中心から放射方向に向けて取り付けなければならない。尚、ここで言う「中心から放射方向に向けて」とは、円周もしくは球の中心にスピーカーユニットの振動板背面が正対する向きに設置することである。また、「同一円周上に均等に配置し」とは、n個(nは2以上の整数)のスピーカーユニットをその円周の中心から[360/n]度の角度を以ってその円周上に配置するという意味あり、例えば、スピーカーユニットが3個の場合は、各スピーカーユニットを同一円周上にその円周中心から120度の角度を以って配置することである。更に、この円周は唯一である必要はなく、複数の円周でもそれらの中心全てが唯一の点として重なれば、各円周上にそれぞれ均等に配置すれば良く、この配置は同一球面上の、球の中心を中心とする複数の円周に全てのスピーカーユニットを均等に且つ球の中心から放射方向に向けて設置したものでもある。
また、「同一球面上に均等に配置し」とは、球の表面全体をスピーカーユニットの個数で同じ面積と形に等分割したときの各エリアの重心に各スピーカーユニットを配置することであり、例えば、球の表面上で球の中心を中心とした1つの同一円周上に全てのスピーカーユニットを均等に配置することもこれに当てはまるが、スピーカーユニットの数が4個の場合、球に外接する正4面体の各面の中心となる位置もしくは球に内接する正4面体の各頂点となる位置に、6個の場合は球に外接する正6面体の各面の中心となる位置もしくは球に内接する正8面体の各頂点となる位置に、8個の場合は球に外接する正8面体の各面の中心となる位置もしくは球に内接する正6面体の各頂点となる位置に配置するといった具合に、3次元的に配置することも可能である(この配置は、擬似呼吸球方式・全指向性球形スピーカーシステムの典型的な構成そのものでもある)。
尚、以上のいずれの配置でも、「円周の中心」及び「球の中心」は、即ち、音響ポート入口を置くべき「全てのスピーカーユニット振動板中心からの距離が等しい位置」と一致する。
(a)は、筺体表面の、ある1つの平面に2個の同等のスピーカーユニットを取り付けたものである。この図では、本発明に係る音響ポートの筺体内側開口部を置くべき点である「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、図中二点鎖線上に無数存在するが、実際には「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、SP1・SP2各スピーカーユニットを結ぶ直線とSP1−SP2の中点で直交するこの二点鎖線を含む平面上に無数存在する。但し、3個以上のスピーカーユニットを1つの平面上に配置する場合は、平面上の同一円周上に配置しなければ「各スピーカーユニットから等距離となる点」は存在せず、その場合「同一平面上の同一円周上に取り付けた各スピーカーユニットから等距離となる点」は、その円周の中心を通りその平面と直交する直線上に無数存在することとなる。
(b)は、筺体表面に円筒曲面の一部を有し、その曲面上に複数(3個)の同等のスピーカーユニットを、円筒曲面の曲率中心Oを中心とする同一円周上に、この円周中心Oから放射方向となる向きに取り付けたものである。この図では、「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、円周中心Oの1点のみであるが、実際には、この円周に囲まれた平面に直交し中心Oを通る直線上に無数存在する。また、この円筒曲面を球面とした場合は、「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、この球面を一部とする球の中心Oの1点のみである。
(c)は、円柱の円形平面を天地とした円柱状筺体の側面となる円筒面上の、円柱中心軸上の1点を中心とした円周上に、複数(3個)の同等のスピーカーユニット(SP1,SP2,SP3)を均等(円周の中心点Oから120度の角度を持って)に配置し、且つ、この円周中心Oから放射方向となる向きに設置したものである。この図中でも、「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、円周中心Oの1点のみであるが、実際には、この円周に囲まれた平面に直交し中心Oを通る直線上、即ち円柱状筺体の中心軸上に無数存在する。尚、この構成を実施するスピーカーシステムとして最も連想し易いものとしては、円柱の2つの円平面を天地とし円筒曲面を側面とする円柱状筺体に於いて、側面上で円柱軸上の1点を中心とする同一円周上に複数の同等のスピーカーユニットを全周均等に配置する、水平方向・全指向性スピーカーシステムがあるが、円柱状に限らず、正多角柱状の筺体全てに適用できる。
更に(c)は、そのまま、球形の筺体に於いて、筺体表面で筺体中心を中心とする同一円周上に複数(3個)の同等のスピーカーユニット(SP1,SP2,SP3)を均等(円周の中心点Oから120度の角度を持って)に配置し、且つ、この円周中心Oから放射方向となる向きに設置したものも表している。この場合でも図中では「各スピーカーユニットから等距離となる点」は、円周中心Oの1点のみであるが、実際には、この円周に囲まれた平面に直交し中心Oを通る直線上に無数存在する。但し、こと球形筺体のように球面を有する筺体に限っては、複数の同等のスピーカーユニットの位置を1つの同一円周上に限定しない場合は、「各スピーカーユニットから等距離となる点」は球の中心Oの唯一1点しか存在し得ない。
この場合、音響ポートは、図4(b)に表すように円柱形筺体の中心軸に集約する定在波を乱反射してその減衰・消滅を促す。また、この構成は、円柱形筺体に限らず、側壁面数が偶数である略円柱(少なくとも側壁面が6つ以上の正多角柱)形の筺体に於いても同じ効果を得ることが出来る。
尚、円柱形筺体に於いては音響ポートの外形が「円柱状は不可」である理由は、円柱形筺体と円柱状音響ポートの組み合わせでは、音響ポートの外側面と筺体の側壁内面との間に再び「微細な平行面の対」を無数に形成することとなってしまい、その間で新たな定在波が発生してしまうからである。同様に、側壁面数が偶数である略円柱形筺体の場合も、音響ポート外側面と筺体の側壁内面との間で平行な面が存在しないように、音響ポートの側面の向きや形状に留意する必要がある。また、音響ポートの長さが円柱形筺体の高さに対して短い場合は、音響ポートを延長する形で多角柱の剛体をダミーとして設置することも必要である。更に、略円柱形筺体の場合は、音響ポートの外形を、音響ポートの投影幅が正対し合う筺体側壁面の間で各側壁面の幅(天地面の正多角形の1辺の長さ)以上になるようにすることが、より効果的である。
球形筺体に於いては、音響ポート筺体内側開口部付近の外形が無理に4面体ではなく、図4(c)に表すように円筒端のままでも球形筺体の中心に集約する定在波を乱反射してその減衰・消滅を促し、球形筺体に於ける「定在波の発生を阻止する剛体」としての効果を発揮する。また、この構成は、球形に限らず、正12面体や32面体などの略球形の筺体に於いても同じ効果を得ることが出来る。
尚、球形筺体に於いては音響ポート筺体内側開口部付近の外形が「球形状は不可」である理由も、球形筺体と筺体内側開口端部の外形が球形である音響ポートの組み合わせでは、音響ポートの筺体内側開口端部と筺体内壁との間に再び「微細な平行面の対」を無数に形成することとなってしまい、その間で新たな定在波が発生してしまうからである。同様に、略球形筺体の場合も、音響ポート筺体内側開口端部と筺体内壁面との間で平行な面が存在しないように、音響ポート筺体内側開口端部の向きや形状に留意する必要がある。また、略球形筺体の場合は、音響ボート筺体内側開口部の外形を、音響ポート筺体内側開口部の投影像が正対し合う筺体内壁面の間で各内壁面の大きさ以上になるようにすることが、より効果的である。
但し、音響ポート筺体内開口部を形成する構造物がスピーカーユニットの振動板背面と正対する面を持たないよう注意する必要が有る。なぜなら、その面によって反射された直接背面波が元のスピーカーユニット振動板に戻り、自己干渉を引き起こすからである。また、音響ボートの外形を、音響ポートの投影像が相背対し合うスピーカーユニットの間で各スピーカーユニットの振動板の大きさ以上になるようにすることが、より効果的である。
なかでも、特に擬似呼吸球方式・全指向性球形スピーカーシステムに本発明を実施するとき、その効果は最も有益且つ効率よく働くことから、球形スピーカーシステムに於ける最良の形態を以下に挙げる。
但し、一般に、スピーカーユニット数を増やすことは低音域再生の為にも有効となるが、それに伴い必要な筺体容量も大きくなり、結果、球形筺体は大きくせざるを得なくなる。更に、スピーカーユニット数の増加は製造コストに直接影響するためむやみに増やしたくない。よって、高品位音場再生の為には、前・後・左・右・上・下に均等に出力波をサービスできる必要最小限のスピーカーユニット数で、球形筺体の小型化を目指すべきである。
また、略球形筺体の場合は、特許文献4のように外形を正12面体のままで置くよりも、筺体外側表面に角がなく滑らかな球面にした方が、筺体外側表面での回折・反射による波形の乱れも避けられ、出力指向性特性はよりフラットになる。
更に、その開口部の大きさ(開口面積ではなく開口部を形成する構造物の大きさ)は、特に相背対するスピーカーユニットの対が存在する場合は、対の一方から他方に直接到達する背面波(直接背面波)を遮れる充分な大きさとして、少なくとも各スピーカーユニットの有効振動板面積以上の投影面積となる大きさであることが望ましいことは既に述べたとおりである。
更に、音響ポート内を流れる空気の流量・流速は共に、従来の位相反転型方式のバスレフダクト内のそれを遥かに凌ぐ大きなものとなる為、音響ポート内壁面を鏡面研磨し、出入り口に滑らかなアールを取る等、風切音の対策が不可欠である。
通常、位相反転型スピーカーシステムを設計する際は、使用するスピーカーユニットの諸元からホルムヘルツの計算式により、必要な筺体容量と、補強したいホルムヘルツ共振周波数に相応した音響ポートの容量(ポート開口面積とポート長の積)が決まり、次にスピーカーユニットの等価有効振動板面積とダクト内の空気流量の制限から、風切音を出さない最低限のダクト開口面積とポート長も決まる。このとき、本発明の特徴である、「音響ポートの筺体内側開口部の位置を球形筺体内部の中心に置く」ためには、必然的に、筺体外形直径を音響ポート長の2倍にしなければならない。筺体としての強度を確保する為に必要な板厚も含め、これら全ての条件を満たす寸法を見出さなければならず、もし、ポート長の計算値が大きくなりすぎる場合は、中・高音域の音質を損なうこととなる筺体直径を増やすことは避け、音響ポートを屈曲させて必要な長さを稼いだり、音響ポートの本数を増やしたりすることで対処する。それでも尚、全ての条件が満たされない場合は、スピーカーユニットそのものの仕様変更も考えるべきである。
本実施例に係るスピーカーシステム10は、球形筐体11に8個のスピーカーユニット13を配置し、筐体内空間12を共通のバックキャビティーとして共有させながら、この8個のスピーカーユニット13のそれぞれの振動板中心14aから距離が等しくなる位置、すなわち、筐体中心18に音響ポート筐体内側開口部(入口)16を形成させ、また、球形筐体11の表面に音響ポート筐体外側開口部(出口)17を形成させた音響ポート15を設けている。
また、8個のスピーカーユニット13は、球形筺体11に外接する正8面体の各面の中心となる位置もしくは球形筺体11に内接する正6面体の各頂点となる位置に配置されている。このようにスピーカーユニット13を配置することによれば、全てのスピーカーユニット13の各々の振動板14の背面から真後方に放射される音響エネルギーのベクトルの全ては筐体中心18でバランスする。言い換えれば、筐体中心18でこれらの音響エネルギーのベクトルがバランスするように8個のスピーカーユニット13が配置されている。
スピーカーユニット13は、一般市販され入手が容易な、米国オーラサウンド社製1インチフルレンジスピーカーユニットNSW1−205−8Aを8個使用し、2個ずつ直列に繋いだもの4セットを並列に繋ぎ、スピーカーシステム10全体のインピーダンスを4オームとした。このスピーカーユニット13は、フルレンジスピーカーユニットとしては異例に小さく、必要とする筺体容量も少なくて済む。また、スピーカーユニット単体での最低共振周波数は220Hzと高く、低音再生能力が極めて低いが、中・高音域に掛けては可聴帯域の上限である20kHzまでほぼフラットに伸びており、これを、低音域を補強し筺体内での定在波の発生とスピーカーユニット13同士の相互干渉を抑制する効果を得ることが出来る本発明に係る特徴を実施する球形筺体11に採用することで、高品位音場再生に耐えうる、高音質な球形スピーカーシステムと成り得ることが期待される。
本実施例に係るスピーカーシステム10の試作機の再生音は、点線で示すスピーカーユニット13単体の周波数特性はもちろんのこと、2点鎖線で示す従来の位相反転型としての低音補強値をも大幅に超えた低音補強効果を得ることが出来、中・高音域も、先達が苦慮したピークやギャップが抑えられたことでスピーカーユニット13単体の特性をほぼ踏襲しており、球形スピーカーシステムのメリットである濃密な情報量と自然な音の広がりを遺憾なく発揮し、まさに高品位音場再生が実現されていることが理解される。
2a、2b、2c、2d スピーカーユニット
3a、3b、3c、3d 背面波音圧
4 定在波
5a、5b、5c、5d 直接背面波
6 筺体内壁からの反射波
9 音響ポート
10 スピーカーシステム
11 球形筐体
12 筐体内空間
13 スピーカーユニット
14 振動板
14a 振動板中心
15 音響ポート
16 音響ポート筐体内側開口部(入口)
17 音響ポート筐体外側開口部(出口)
18 筐体中心
O 円もしくは球の中心
A、B、C 音源
SP1、SP2、SP3 スピーカーユニット
Claims (2)
- 1つの筺体の筺体内空間を共通のバックキャビティーとして共有する複数の同等のスピーカーユニットを同相駆動するスピーカーシステムであって、前記筺体内部で全ての前記スピーカーユニットの振動板中心からの距離が等しくなる位置に入口を配置し前記筺体表面に出口を配置する筒状の音響ポートを備えることを特徴とするスピーカーシステム。
- 前記複数の同等のスピーカーユニットの各々の振動板背面から真後方へ放射される音響エネルギーのベクトルの全てが唯一の点でバランスする位置関係を以って前記複数の同等のスピーカーユニットを前記筺体表面に配置することを特徴とする請求項1記載のスピーカーシステム。
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