JP2013062630A

JP2013062630A - 内部吸音管つき二重円筒スピーカー

Info

Publication number: JP2013062630A
Application number: JP2011198927A
Authority: JP
Inventors: Masaki Chigira; 正機千木良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】
スピーカーユニットの裏面で発生する逆位相の音波振動を拡散吸収して外部に伝達させない小型軽量かつ単純なスピーカーボックスであり、エンクロージャーの共鳴振動を抑制する。
【解決手段】
スピーカーユニットを取り付けたバッフル板の後方に内部吸音管と外部円筒からなる二重円筒式のエンクロージャーであり、内部吸音管は膨張室と整流室さらに吸音部を積層することで逆位相の音波振動を抑制する構造を有する。さらに背板中央部内側に円錐状の突出部を設け、バッフル板との間で定常波が発生することを防止しつつ低音域の空気振動を無位相化してバッフル板の開口部から前方に放出する装置。さらにエンクロージャーの外側に複数のヒートン型あるいは洋燈吊り型のインシュレーターを備えた装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は音響用スピーカーボックス内部における定常波の発生を防止し、同時にエンクロージャーの共鳴共振を抑制しつつ逆位相音波の無位相化を行う構造に関する。

音響用スピーカーユニットの周波数特性は満足できる範囲にあり、ほぼ完成された技術と言えるが、スピーカーユニットの振動板は裏面で逆位相の空気振動（音波）を同時に発生させ、逆位相の音波を減弱させない限り聴覚刺激の十全性は得られない。逆位相の音波を減少させるため種々の密閉式エンクロージャーが開発されてきたが、エンクロージャー内部で発生する定常波（音の反射波）がエンクロージャー自体を共鳴振動させ、外部に雑音として拡散することを防止できなかった。また密閉性の高いエンクロージャーでは装置の小型化にともなって低音域の音波が減少するという欠点も指摘できる。すなわちスピーカーユニットの周波数特性が低音域を十分にカバーしていない場合、逆位相の音波を完全に封じ込めてしまう密閉式エンクロージャーは聴覚刺戟の十全性を担保しない。すなわち低音不足として聴取され、原音と異なる印象を受ける。こうした問題点を解消するために複数の周波数特性が異なるユニットを同一のエンクロージャーに収納するマルチスピーカーシステムが採用され、またエンクロージャーの形式変更によって逆位相の音波（とくに低音域）を増幅して放出する試みが行われてきた。多くはユニット後方へ放散する逆位相の空気振動を前面ないし側面から放出させるもので、バックロードホーンと一般的に呼ばれている。しかし音波の位相差が残ることで原音とは異なる音響となるため、バスレフ構造と呼ばれる共鳴管を通じて位相を反転した低音域を外部へ放出するエンクロージャーが考案された。これは逆位相音波の反射時に位相の反転が生じる現象を利用したものだが、バスレフという共鳴管構造の設置を特徴とし、低音域のみを機械的に共鳴増幅する機構である。しかしバスレフ管による低音域の増強は共鳴振動数と倍音に限定され、その他の周波数帯域はバックロードホーンと同じとなる。したがって一部の共鳴振動数（および倍音）のみが特異的に増幅された人工的な音響を生み出してしまう。これらスピーカーボックスの欠点を解消するためには、エンクロージャー内部で発生する逆位相音波とくに定常波を減弱させ、同時にエンクロージャー自体の共鳴振動を外部に伝達しない遮蔽構造が必要となる。

エンクロージャーの内部で定常波を発生させないためには、エンクロージャーの立体形状が重要な問題となり、向かい合う平面が少なければ少ないほど定常波の発生は抑制される。このため内部に平面を持たない球面あるいは円筒形エンクロージャーが考案されたが、空気振動が集中する点あるいは線の発生という欠点がある。とくに円筒形エンクロージャーでは、スピーカーユニットの中心軸に一致して空気振動の集中点が生じ、後方に向かう高い音圧を減少させることが困難となる。すなわちエンクロージャーを円筒形に変更しただけではスピーカーユニットの中心軸と平行する空気振動を抑制できず、定常波や共鳴振動を十分に防止できなかった。円筒形エンクロージャーが密閉式となり難い最大の原因は、スピーカーユニットの中心軸と平行する空気振動の抑制が困難であったためと言える。

定常波を抑制する手段としては、エンクロージャーの内部に吸音材を封入して空気の振動エネルギーを吸収させることも有効であるが、低音域の振動を十分に吸収する素材は知られていない。およそ粘弾性の高い素材を十分な厚みでエンクロージャー内部に貼付すれば吸音性能は上昇するが、吸音材の占める割合を増やせば増やすほどエンクロージャーの容積が減少してスピーカーシステムの音響特性は悪化する。粘弾性の高い素材で薄くエンクロージャーの内部を被覆することは必要としても、エンクロージャーの容積を最大限に確保することが優先される。言い換えれば小型化とスピーカーシステムの音響特性は矛盾すると考えられてきた。

一方でエンクロージャーの容積を増加させると、固有振動数の低下によって低音域の共鳴振動が発生し易くなるため、エンクロージャーの内部で逆位相の空気振動を減少させる必要性が高まる。同時にエンクロージャー自体の剛性が確保されないと、共鳴振動によって外部へ空気振動が伝達されてしまう。このため硬質な木材や石材などが使用されることもあるが、エンクロージャー自体の重量増加という無視できない物理的な限界に直面する。エンクロージャーの共鳴振動数を下げる目的で重量を増加させることも考えられるが、家屋構造に対する負担が大きくなるため無制限の重量増加は現実的でない。すなわち軽量化によってエンクロージャー自体の共鳴振動が誘発され易くなる。

エンクロージャー自体の振動が外部に伝達されないようにするためには、高効率のインシュレーターを付加して振動を吸収させることもできる。インシュレーターの技術は成熟しているが広帯域の振動を遮断するために構造が複雑化し、さらに特殊な素材を必要とすることもあって価格の上昇傾向が強い。逆にエンクロージャーを吊り下げればインシュレーターの必要性は低下するが、剛性確保などの理由によってエンクロージャー自体の重量が増加すれば、吊り下げ用の支持体にも高い剛性と支持性（転倒防止や落下を予防する構造）が要求されることが避けられない。

特許公開２０１０ー６８０６３特許公開２００９ー１４７８９２特許公開２００７ー１５８９７７特許公開２００７ー４９７０２特許公開２００６ー２９５４４８特許公開２００６ー１２１５９１特許公開２００６ー３３１００特許公開２００６ー１２１５９１特許公開２００４ー３６４１１０特許公開２００２ー２６５７２２特許公開平０８ー２７５２８３特許公開平０５ー１６８０７５特許公開平０７ー２８４１８２特許公開２０１１ー１０３５８４特許公開２０１１ー２７２４９特許公開２００５ー２４０６７特許公開平０５ー１２５１６１実用新案平０７ー４４８８７

本発明が解決しようとする課題は、最少の体積と重量に対して最大の容積を提供するエンクロージャーの構造であるが、内部に設けた吸音管（マフラー）で逆位相の音波を吸収すると同時に、外部への共鳴振動を減弱する安価かつ軽量なインシュレーター構造を含む。

最小の体積と重量に対して最大の容積を提供する密閉式エンクロージャーは球形であるが、スピーカーユニットの取り付け部分は平面が好ましく、また吊り下げ以外の固定方法とくに床置きを想定した場合には球形エンクロージャーを採用するのは困難である。実用的なエンクロージャー形態として円筒形が用いられるが、円筒の厚みを薄くして重量を軽くするとエンクロージャー全体の共鳴振動が増加する。このため円筒形エンクロージャーはスピーカーユニット面（バッフル板）を上方に向けた縦置きとすることが原則とされ、背面（スピーカーユニットと対立する平面）を開放することで振動のエネルギーを拡散させてきた。背面を閉鎖してしまうとバッフル板との間で定常波が発生してエンクロージャーの共鳴振動が抑制できなくなるためである。また背板で反射した逆位相の振動がスピーカーユニットの振動板に干渉し、音質の低下を招くと考えられる。さらにバッフル板とエンクロージャーを強固に結合すると、エンクロージャー全体が共鳴振動を起こしてしまう。これらの欠点があるため、横置き型の円筒形エンクロージャーの音響特性は低いと考えられてきた。ただしスピーカーユニットの裏面で発生する逆位相の音波は円筒形エンクロージャーの内部で反射するが、曲面（円形断面）のために定常波を発生させることが少ない。また円筒は少ない素材量で機械的に強固な構造を提供するため、エンクロージャーの軽量化が容易である。したがって以下に述べる複数の工夫によって共鳴振動を低減すれば、軽量小型で音響特性の優れたエンクロージャーが構築できる。

図１のようにエンクロージャーを二重円筒構造とし、内部吸音管と外部円筒の間に空間を設ける。内部吸音管とバッフル板は相互に結合するが、背板と内部吸音管の間には空間を残す。またバッフル板の一部（内部吸音管と外部円筒の間）に開口部を設け、背板で反射した空気振動をエンクロージャーの前面から放出する構造である。内部吸音管の背板端は複数箇所で外部円筒との間を粘弾性素材によって結合し、固有振動数の異なるバッフル板、内部吸音管および外部円筒の共鳴振動を打ち消す。背板の中央部（内部円筒の回転軸延長上）を頂点とする円錐状の突出部を設け、内部吸音管の背板端から放出される振動エネルギーを外部円筒に向って斜方向へ分散する。円錐状突出部で斜方向に拡散した空気振動は、内部吸音管と外部円筒の間で反射を繰り返しながらバッフル板方向へ向うが、多数回の反射を繰り返すために音波の位相は非同期となる。すなわちバッフル板の前面開口部から外部へ放出される空気振動の位相は、周波数帯に依存せず偶然律によって左右される非同期状態となる。

図２に示すように内部吸音管は拡張部、整流部および吸音部から構成され、これら３部分の繰り返しによって逆位相の空気振動を吸収するが、同時に内部吸音管の長軸と平行する方向に空気振動を集中させる。吸音管の内側には多孔質の粘弾性体を張り、長軸と交差する方向の空気振動エネルギーを吸収すると同時に長軸方向へ振動エネルギーを集中する。

図３にしめすように内部吸音管の整流部はハニカムあるいは小円筒構造であり、筒状の内面によって空気振動は長軸方向へ整流され、多孔質の粘弾性体から成る吸音部に導かれる。多孔質の粘弾性体の一面は布状の支持体に接着され、吸音部全体が振動しないように内部円筒と整流部の一端に固定される。拡張部は整流部と吸音部を通過した空気振動のエネルギーを分散しつつ次の整流部および吸音部に導くための空間であり、振動エネルギーがバッフル板へ向って逆転しないようにする役割を果たす。拡張部、整流部および吸音部から成る吸音ユニットは、背板で反射した空気振動がスピーカーユニットの振動板に影響を与えないようにする機能をもち、同時に振動板で発生する逆位相の振動エネルギーを段階的かつ無指向的に分散する。

図４に示すようにバッフル板と背板の一部には振動吸収装置（インシュレーター）を複数個（合計で３個以上）設置するが、インシュレーターは一部に湾曲部をもつ円形断面の構造と特徴とする。いわゆるヒートンないし洋橙吊り型であり、円環状の湾曲部は閉鎖していない。このような構造のインシュレーターでは平面との接触が常に一点となり、さらに湾曲部そのものが弾性体として機能する。３個の同型インシュレーターをバッフル板と背板の一部に設置した場合、エンクロージャーは３つの接触点を共有する平面上に固定され、共鳴振動を促進する重量配分の不均衡が発生しない。

当該インシュレーターは硬質な平面状にエンクロージャーを設置することを前提とするが、やや軟質の平面にスピーカーを設置する場合には、インシュレーターの受け皿として上部に凹面を有して下面が平面となる補助装置を設けることができる。

本発明の二重円筒スピーカーボックスは共鳴振動が少なく小型軽量化が容易であり、装置を上下逆転あるいは縦に設置することが可能なため、インシュレーターをそのまま吊り下げ具として用いる事ができる。また背板を平面とすればスピーカーユニットを設置したバッフル板を上あるいは下ないし斜方向に向けて設置することも自由である。また床面などに縦置きする場合、インシュレーターを設置金具と結合することで、転倒を防止する手段となる。

本発明はバッフル板に固定されたスピーカーユニットの発生する逆位相の空気振動を、内部の円筒形吸音管で拡散、整流、吸音し、さらに外部エンクロージャーとの間で多数回の反射を行うことで、逆位相の空気振動を減弱するものである。この過程で中高音域の音波は大部分が吸収され、低音域のみが無位相となってバッフル板の開口部から前方向に放出される。さらにバッフル板と背板にヒートン型あるいは洋燈型のインシュレーターを付置し、エンクロージャー自体の振動を外部へ伝達させない軽量のスピーカーボックスである。

図１は二重円筒構造と背板の円錐形構造を示す断面図である。図２は吸音管の断面図である。図３は吸音管整流部の横断面図である。図４はエンクロージャーに設置するインシュレーターの側面図である。

図１は外部円筒形エンクロージャーの内部に円筒形吸音管を設け、外部エンクロージャーとしても円筒を用いた二重円筒構造の実施例１（断面図）である。横置きを前提とするため吸音管の背板端はエンクロージャーと粘弾性的に結合してあり、開放端（背板側）に共鳴振動が発生し難い構造としている。また内部吸音管の内面には多孔質の吸音体（粘弾性素材）を貼付し、背板の中央部に空気振動を斜方向に反射する突出部を設けてある。また図４に示すように、二重円筒のエンクロージャーを横置きする場合に用いるヒートン型あるいは洋灯吊り型のインシュレーターを付加した。

本発明はスピーカーユニットの裏面で発生する逆位相の音波を内部吸音管で拡散吸収し、さらに外部円筒との間に形成される空間を通じてバッフル板の前面から放出するスピーカーボックスである。エンクロージャーを二重円筒構造としたことで、スピーカーユニット後面で発生する逆位相の音波が吸収され、固有振動数の異なる円筒間を粘弾性的に結合したためにエンクロージャーの共鳴振動も抑制できる。さらに軽量小型かつ単純な構造をもつヒートン型インシュレーターを介して水平面に設置することで、バッフル板を含むエンクロージャー全体の振動が低下する。結果的に前面バッフル板の開口部から前方に放出される低音域の空気振動は無位相性となり、低音域の音量が増大することでスピーカーシステムの音質が改善される。本発明のスピーカーシステムは小型軽量化が容易であり、場所を選ばずに設置することが可能なため、広い範囲で高度な音響システムが構築可能となる。

１スピーカーユニット
２バッフル板
３開口部
４外部円筒
５背板
６円錐状突出部
７吸音管
８膨張部
９ハニカム構造の整流部
１０多孔質粘弾性素材の吸音部
１１多孔質吸音材
１２粘弾性体
１３ハニカムないし小円筒構造の整流管
１４ヒートンないし洋灯吊り型インシュレーター

Claims

内部に吸音管を有する二重円筒構造のエンクロージャーであり、中央部に円錐状突出部をもつ背板で反射された逆位相の空気振動を無位相化してバッフル板に設けた開口部から前方へ放出する装置。
吸音管の内部は膨張部、整流部および吸音部に分かれ、およそ蜂巣状ないし小円筒断面を持つ整流室で振動方向を一定化すると同時に、多孔質の粘弾性素材からなる吸音部で中高音域の逆位相音波を吸収する装置。
外部エンクロージャーの複数個所（少なくとも3か所）にヒートン型あるいは洋燈吊り型のインシュレーターを設けると同時に、内部吸音管と外部円筒の間を粘弾性的に結合して共鳴振動を低減したスピーカー装置。