JP2019537389A - 音響トランスデューサ - Google Patents

Abstract

音響トランスデューサは、音響素子を備え、その音響素子は、前側音響放射をその前側から放出又は受信し、後側音響放射をその後側から放出又は受信する。ハウジングは、前側音響放射及び後側音響放射を方向付ける。ハウジング内の複数の孔は、音がハウジングに入ること、又は音がハウジングから出ることを可能にする。孔間の距離は、音響双極子の有効長を画定する。ハウジング及びその孔は、有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置されている。

Description

本開示は、音響トランスデューサに関する。

オフイヤーヘッドホンは、ユーザに周囲の事情をより多く気付かせることが可能であり、装着者が他人と対話しながら利用可能であるという社会的なきっかけを提供する。しかしながら、オフイヤーヘッドホンの音響トランスデューサ（複数可）は、耳からはるか遠くにあり、耳のみに音を閉じ込めないため、オフイヤーヘッドホンは、オンイヤーヘッドホンと比較して、他人が聞こえ得るより多くの音漏出を引き起こす。漏出は、オフイヤーヘッドホンの利便性及び望ましさを損ない得る。

下記のすべての例及び特徴は、技術的に可能な任意の方法で組み合わせることができる。

一態様では、音響トランスデューサは、音響素子を備え、その音響素子は、前側音響放射をその前側から又はその前側に放出又は受信し、後側音響放射をその後側から又はその後側に放出又は受信する。ハウジングは、前側音響放射及び後側音響放射を方向付ける。ハウジング内の複数の音伝導孔は、音がハウジングに入ること、又は音がハウジングから出ることを可能にする。孔間の距離は、トランスデューサの音響双極子の有効長を画定する。ハウジング及びその孔は、有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置される。一例では、トランスデューサは、音響放射を放出する音響放射器を有するスピーカーである。別の例では、トランスデューサは、音響放射を受信する振動板を有するマイクロホンである。

別の態様では、スピーカーは、前側音響放射をその前側から放出し、後側音響放射をその後側から放出する音響放射器と、前側音響放射及び後側音響放射を方向付けるハウジングと、ハウジング内の複数の放音孔であって、孔間の距離がスピーカー双極子の有効長を画定する、複数の放音孔と、を備える。このハウジング及びその孔は、有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置される。

実施形態は、下記の特徴のうちの１つ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。有効双極子長は、より高い周波数におけるよりも、より低い周波数において大きくてもよい。孔は、抵抗性スクリーンにより覆われたハウジング内の開口部を含むことができる。孔は、ポート開口部を含むことができる。スピーカーは、音響放射器と孔との間に音響伝送路を更に備えることができる。スピーカーは、装着者の頭部にスピーカーを装着するための構造体を更に備えることができ、音響放射器は、スピーカーがユーザの頭部に装着されたときに、ユーザの耳の近くに保持されるがその耳を覆わない。第１、第２、及び第３の孔は、それぞれ、第１、第２、及び第３のポート開口部を含むことができ、第１のポート開口部は、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信し、第２及び第３のポート開口部は、両方とも、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信するが、第１のポート開口部が受信するものと同じ音響放射を受信しない。スピーカーは、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信するが、第１のポート開口部が受信するものと同じ音響放射を受信しない、通気型音響伝送路を更に含むことができ、第２のポート開口部は、音響放射器に近接する音響伝送路内にあり、第３のポート開口部は、第２の開口部よりも音響放射器から更に遠い音響伝送路内にある。

実施形態は、下記の特徴のうちの１つ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。第１の孔は、抵抗性スクリーンにより覆われたハウジング内の第１の開口部を含むことができ、第２の孔は、ハウジング内の第２の開口部を含むことができる。第１及び第２の孔は、両方とも、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信することができる。スピーカーは、ハウジング内の第３の放音孔を更に含むことができ、第３の孔は、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信するが、第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない。第３の孔は、ポート壁により画定されたポートの端部に開口部を含むことができ、スピーカーは、ポート定在波共振を低減する、ポート内の構造体を更に含むことができる。ポート定在波共振を低減するポート内の構造体は、抵抗性スクリーンにより覆われたポート壁内の開口部を含むことができる。スピーカーは、第１及び第２の排気口によっては受信されない、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信する通気型音響伝送路を更に含むことができる。スピーカーは、装着者の頭部にスピーカーを装着するための構造体を更に備えることができ、音響放射器は、スピーカーがユーザの頭部に装着されたときに、ユーザの耳の近くに保持されるがその耳を覆わず、第１の孔及び音響伝送路孔は、両方とも耳の方向に向けられる。

実施形態は、下記の特徴のうちの１つ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。スピーカーは、ハウジング内の第３及び第４の放音孔を更に含むことができ、第３及び第４の孔は、両方とも、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信するが、第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない。スピーカーは、装着者の頭部にスピーカーを装着するための構造体を更に備えることができ、音響放射器は、スピーカーがユーザの頭部に装着されたときに、ユーザの耳の近くに保持されるがソ耳を覆わず、第１及び第２の孔は、両方とも、第３及び第４の孔よりも、耳に近い。４つの孔はすべて、概して同一平面上にあってもよい。第３の孔は、抵抗性スクリーンにより覆われたハウジング内の第３の開口部を含むことができ、第４の孔は、ハウジング内の第４の開口部を含むことができる。

実施形態は、下記の特徴のうちの１つ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。孔は、受動放射器を含むことができる。スピーカーは、２つの音響放射器、及び２つの音響放射器の各々により放出された音響放射の位相を制御するためのシステムを備えることができ、両方の音響放射器は、その一方の側面上で共通音響体積に流体結合され、第１の孔は、共通音響体積に流体結合され、第２の孔は、一方の音響放射器の別の側面に流体結合され、かつ第３の孔は、他の音響放射器の別の側面に流体結合される。

別の態様では、スピーカーは、前側音響放射をその前側から放出し、後側音響放射をその後側から放射する音響放射器と、前側音響放射及び後側音響放射を方向付けるハウジングと、装着者の頭部にスピーカーを装着するための構造体であって、音響放射器は、スピーカーがユーザの頭部に装着されたときに、ユーザの耳の近くに保持されるがその耳を覆わない、構造体と、ハウジング内の複数の放音孔であって、孔間の距離がスピーカー双極子の有効長を画定する、複数の放音孔と、を備えることができる。ハウジング及びその孔は、有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置され、有効双極子長は、より高い周波数におけるよりも低い周波数において大きい。第１の孔が、抵抗性スクリーンにより覆われたハウジング内の第１の開口部を含み、第２の孔は、ハウジング内の第２の開口部を含み、第１及び第２の孔は、両方とも、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信し、ハウジング内の第３の放音孔が存在し、第３の孔は、前側音響放射又は後側音響放射のいずれかを受信するが、第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない。第３の孔は、抵抗性スクリーンにより覆われたハウジング内の第３の開口部を含むことができる。

図２Ｂの線１−１に沿って切り取られたスピーカーの部分概略断面図である。 ユーザの耳の近くで使用中の図１のスピーカーの正面斜視図及び側面図である。 ユーザの耳の近くで使用中の図１のスピーカーの正面斜視図及び側面図である。 図１のスピーカーの電気的等価回路図である。 図１のスピーカーの代表例のインピーダンス対周波数の特性図である。 単極音響体積速度ソース、及び２つの異なる双極性体積速度ソースの場合の漏出（音圧）対周波数の特性図である。 典型的なスピーカーのドライバ変位対周波数の特性図である。 図６におけるのと同じ典型的なスピーカーの場合の漏出対周波数の特性図である。 スピーカーの概略断面図である。 図８Ａのスピーカーの場合のインピーダンス対周波数の特性図である。 スピーカーの概略断面図である。 図９Ａのスピーカーの場合の制御システムの概略ブロック図である。 典型的な４極子スピーカー内の４つの放射器の配置に関する２つの変形例の概略図である。 典型的な４極子スピーカー内の４つの放射器の配置に関する２つの変形例の概略図である。 図１０Ａ及び１０Ｂの双極子及び４極子の場合の漏出（音圧）対周波数の特性図である。 耳の近くで使用中の典型的な４極子スピーカーの側面図である。 図１２のスピーカーの斜視図である。 ユーザの耳の近くで使用中のスピーカーの概略断面図である。 スピーカーの概略断面図である。 マイクロホンの概略断面図である。 マイクロホンの概略断面図である。

音響トランスデューサは、前側音響放射をその前側から又はその前側に放出又は受信し、後側音響放射をその後側から又はその後側に放出又は受信する音響素子を備える。ハウジングは、前側音響放射及び後側音響放射を方向付ける。ハウジング内の複数の音響伝導孔は、音がハウジングに入ること、又は音がハウジングから出ることを可能にする。孔間の距離は、トランスデューサの音響双極子の有効長を画定する。有効長は、任意の特定の周波数で放出又は受信される放射に最も寄与する２つの孔間の距離であると考えることができる。ハウジング及びその孔は、有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置される。一例では、トランスデューサは、音響放射を放出する音響放射器を有するスピーカーである。別の例では、トランスデューサは、音響放射を受信する振動板を有するマイクロホンである。スピーカーとして構成される場合、トランスデューサは、この特徴を有さないオフイヤーヘッドホンと比較して、耳に送達された音圧の、漏出した音に対してより大きな比を達成することができる。マイクロホンとして構成される場合、トランスデューサは、典型的なオフイヤーマイクロホンと比較して、人間の声の典型的な周波数におけるノイズに対して変換音圧のより大きな比を達成することができる。

ヘッドホンは、通常、耳の周り、上、又は内に嵌めて装着し、外耳道の中に音響エネルギーを放射する装置を指す。本開示は、耳の近くで装着するが、耳をふさがない、オフイヤーヘッドホンと呼ばれるタイプのヘッドホンについて説明する。ヘッドホンは、時には、イヤーホン、イヤーピース、ヘッドセット、イヤーホン、又はスポーツヘッドホンと呼ばれ、有線式又は無線式とすることができる。ヘッドホンは、オーディオ信号を音響エネルギーに変換するための音響トランスデューサドライバを含む。この音響ドライバは、イヤーカップ内に格納されることができる。以下の図及び説明のうちのいくつかは、単一のヘッドホンを示しているが、ヘッドホンは、単一の独立型ユニット、又は一対のヘッドホン（各々は、少なくとも１つの音響ドライバを含む）のうちの一方であってもよく、各耳に対して１個であり得る。ヘッドホンは、例えば、ヘッドバンドによって、及び／又はヘッドホン内の音響ドライバにオーディオ信号を伝えるリード線によって、別のヘッドホンに機械的に接続され得る。ヘッドホンは、オーディオ信号を無線で受信するためのコンポーネントを含み得る。ヘッドホンは、能動型ノイズ低減（ＡＮＲ）システムのコンポーネントを含み得る。ヘッドホンはまた、マイクロホンなどの他の機能性をも含み得る。

耳の周り若しくは上、又はイヤーヘッドホンから離れたところに、ヘッドホンは、ヘッドバンド、及び、ユーザの耳の上若しくは上方に、又は近接して載置するように配置された少なくとも１つのハウジングを備え得る。ヘッドバンドは、折りたたみ可能又は折りたたみ式とすることができ、複数の部分で作製され得る。いくつかのヘッドバンドは、スライダを含み、そのスライダは、ヘッドバンドの内側に位置され得、ハウジングの任意の所望の並進を提供し得る。いくつかのヘッドホンは、ヘッドバンドに枢動可能に組み付けられたヨークを含み、ハウジングは、ヨークに枢動可能に組み付けられて、ハウジングの任意の所望の回転を提供する。

典型的なスピーカー１０が、図１に示されており、この図は、長手方向の概略断面図である。スピーカー１０は、ハウジング１４内部に配置されている音響放射器１２を含む。ハウジング１４は、いくつかの放音孔を除いて、閉鎖され、又は密閉されている。ハウジング及びその孔は、周囲に漏出される音を最小限に抑えながら、特定の場所に所望の音圧レベル（ＳＰＬ）送達を達成するように構築及び配置されている。これらの結果によって、スピーカー１０を有効なオフイヤーヘッドホンにしている。ただし、本開示は、オフイヤーヘッドホンに限定されず、このスピーカーは、特定の場所からのみはっきりと聞くことができる野外スピーカーなどの他の用途においても有効であり、本開示は、例えば、自動車内の座席のヘッドレスト又は別の部分に組み込まれたスピーカー、並びに映画館、ゲームセンタのゲーム機、及びカジノゲーム機のためのスピーカーを含むことができる。

ハウジング１４は、「Ｖ_１」として識別される音響放射器前方体積１６、及び「Ｖ_０」として識別される音響放射器後方体積２０を画定する。音響放射器１２は、体積１６及び体積２０の両方の中に音圧を放射し、その２つの異なる体積に対する音は、位相不一致である。このため、ハウジング１４は、前側音響放射及び後側音響放射の両方を方向付ける。ハウジング１４は、この非限定的な例では、３つ（及び、場合によっては、４つ以上）の孔を備え、すなわち、前方開放孔１８（以下に更に説明されるように、任意選択的に抵抗性スクリーンによって覆われて、より理想的な双極子を作り上げ得る）、米国サウスカロライナ州Ｆｏｕｎｔａｉｎ Ｉｎｎに所在するＳａａｔｉ Ａｍｅｒｉｃａｓ Ｃｏｒｐ．製の１９Ｒａｙｌポリマースクリーンなどの抵抗性スクリーンによって覆われた後方開口部２４、及びポート（すなわち、音響伝送路）２２の遠位端に配置されている後方ポート開口部２６を備える。音響伝送路とは、ポート又は音響導波管などの、音圧を伝送するように適合されている導管である。ポート及び導波管は、一般的に、音響質量を有する。抵抗性スクリーンにより覆われた第２の後方開口部２３は、任意選択可能な能動素子であり、その能動素子は、当技術分野において既知のように、ポート２２内の定在波を減衰させるように含まれ得る。遮蔽開口部２３がない場合、ポート長が半波長に等しい場合の周波数において、ポートを駆動するためのインピーダンスは、極めて小さく、これにより、遮蔽開口部２４ではなくポートを介して、空気を逃がすことを可能にする。遮蔽開口部２３が含まれる場合、ポート２２に沿った距離は、ポート２２の入口から開口部２３までの距離「ポート１」、及び開口部２３から開口部２６までの距離「ポート２」に分割され得る。任意の音響開口部は、抵抗（エネルギー消散）成分及びリアクタンス（非消散）成分を有する複素インピーダンスを有することに留意されたい。開口部を抵抗性と呼ぶ場合、抵抗成分が優勢であることを意味する。

前方孔及び後方孔は、音響双極子に等しくすることができる方法で、ハウジング１４の外側の周囲に音を放射する。１つの双極子は、孔１８及び孔２４によって達成され得る。第２の、より長い双極子は、孔１８及び孔２６によって達成され得る。理想的な音響双極子は、放射軸に沿って同等の前方及び後方への放射を有し、かつその軸に対して垂直方向の放射がない、２つの突出形状からなる分極応答を呈する。全体としてのスピーカー１０は、近似的な双極子の音響特性を呈し、そこでは、有効双極子長又はモーメントは、固定されず、すなわち、可変である。双極子の有効長は、任意の特定の周波数において音響放射に最も多く寄与する２つの孔間の距離であると考えることができる。本例では、双極子長の可変性は、周波数依存性である。このため、ハウジング１４、並びに孔１８、２４、及び２６は、スピーカー１０の有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置されている。可変長双極子の周波数依存性、及びスピーカーの音響性能に関するその効果について、以下に更に説明される。双極子長の可変性は、どの孔がどの周波数において優勢であるかに関係しなければならない。低い周波数においては、孔２６が孔２４よりも優勢であるため、双極子長は長い。高い周波数においては、孔２４が、孔２６よりも（体積速度において）優勢であるため、双極子間隔は短い。

トランスデューサの前側の１つ以上の孔、及びトランスデューサの後側の１つ以上の孔は、スピーカーから双極子放射を作り出す。開放型パーソナル近距離オーディオシステム（オフイヤーヘッドホンと一緒になど）で使用される場合、本開示の可変長双極子スピーカーによって対処される２つの主な音響的課題が存在する。ヘッドホンは、耳に十分なＳＰＬを送達する必要があるが、同時に、周囲への漏出を最小限に抑える必要がある。本スピーカーの可変長双極子により、スピーカーが、低い周波数においては比較的大きな有効双極子長を、より高い周波数においてはより小さい有効双極子長を有することを可能にし、その結果、有効長が２つの周波数の間を比較的スムーズに遷移する。音源が耳の近くに配置されるがその耳を覆わない用途の場合、望ましいことは、耳においては高いＳＰＬであり、その場に居合わせた人に対しては低いＳＰＬ漏出（すなわち、ソースからより遠くでの低いＳＰＬ）である。耳におけるＳＰＬは、双極子の前側及び後側が、外耳道にどの程度近いかについての関数である。一方の双極子ソースが耳に近く、他方が離れていることにより、所与のドライバ体積変位に対して耳におけるＳＰＬをより高くすることができる。これによって、より小さいドライバを使用することができる。しかしながら、漏出したＳＰＬは、双極子長の関数であり、長さが大きくなるほど漏出する音は多くなる。ヘッドホンの場合、ドライバが比較的小さい必要があるのだが、低い周波数においては、ドライバ変位は、耳に送達されるＳＰＬの制限要因である。これにより、双極子長がより大きいほど、低い周波数においてより良好であるという結論が導き出され、この場合、人間は、中音域周波数に比較して、低音域にはそれほど敏感ではないため、漏出は、それほどの問題ではない。より高い周波数において、双極子長は、より小さい必要がある。

本明細書におけるいくつかの非限定的な例では、スピーカーは、ユーザの耳に、例えば、ヘッドホンの一部として音を送達するのに使用される。典型的なヘッドホン３４が、図２Ａ及び２Ｂに描かれている。スピーカー１０は、耳介４１を有する耳Ｅの外耳道４０に音を送達するように位置されている。ハウジング１４は、ヘッドバンド３０によって担持され、その結果、音響放射器は、耳の近くに保持されるがその耳を覆わない。本開示に関連しない他のヘッドホン３４の詳細については、簡単にするために含まれていない。前方孔１８は、後方孔２４及び２６よりも、外耳道４０に近い。孔１８は、好ましくは、耳介４１の前方に配置され、外耳道に向けられ、かつ外耳道に近接し、その結果、孔１８から逃れる音は、外耳道に到達する前に、耳介によって遮断されず、又は実質的に強い影響を受けない。図２Ｂの側面図に見られるように、孔２４及び２８は、ユーザの頭部から離れて直接向けられている。孔１８、２４、及び２６の領域は、高流速により誘発される乱流による最小限のフローノイズが存在するように十分に大きくなければならない。この孔の配置は、本明細書での原理を例示するものであり、当業者にとっては明らかであるように、孔の位置、サイズ、形状、インピーダンス、及び特定の音送達目標を達成するために変更し得る孔の数量として、本開示を限定するものではないことに留意されたい。

音響放射器の一方の側（図１及び２の例の前側）は、外耳道に近接する孔を介して放射する。ドライバの他方の側は、スクリーンを介して、又はポートの下方に空気を押圧することができる。ポートのインピーダンスが高い場合（比較的高い周波数において）、放射器の後方で作り出された音響圧は、主にスクリーンを介して逃れる。ポートのインピーダンスが低い場合（比較的低い周波数において）、音響圧は、主にポートの端部を介して逃れる。このため、ポート開口部よりも近接した遮蔽孔を前方孔に配置することにより、より低い周波数においてはより長い有効双極子長、及びより高い周波数においてはより短い有効双極子長を達成する。本スピーカーのハウジング及び孔は、好ましくは、より低い周波数においてはより長い有効双極子長、及びより高い周波数においてはより短い有効双極子長を達成するように構築及び配置される。

図３は、図１のスピーカーの電気的等価回路図又はモデル５０である。放射器１２は、体積速度Ｑ_ドライバを有する体積速度ソース５１としてモデル化されている。後方体積２０（Ｖ_０）は、後方音響放射がそこから開口部２６を介して出て行くのだが、コンデンサ５３としてモデル化され、遮蔽開口部２４は、抵抗器２４ａとしてモデル化され、開口部２６を有するポート２２は、コイル５６（一部の「ポート１」に対して）及び５７（一部の「ポート２」に対して）としてモデル化されている。前方体積１６（Ｖ_１）は、前方音響放射がその中に向けられるのだが、コンデンサ５５としてモデル化されている。前方孔が開放されている場合、ゼロインピーダンスを有するとみなされ、その結果、モデル内では反映されていない。ただし、前側は、遮蔽開口部（任意選択可能な抵抗器５２としてモデル化されている）及び／又はポート（任意選択可能なコイル５４としてモデル化されている）を有してもよい。

図４は、図１のスピーカーの代表例の後側の場合の、及び図３のモデル５０によりモデル化された、インピーダンス（Ｚ）の大きさ対周波数（ｆ）の特性図である。より低いインピーダンスは、より大きな出力体積速度に相当する。任意の特定の周波数において、任意又はすべての後側孔からの出力は、スピーカーから放出された音に寄与することができる。しかしながら、ほとんどの周波数において、後側孔のうちの１つのインピーダンスは、他の孔のインピーダンスよりも小さく、したがって、その孔、並びに前側孔から送達された音圧は、スピーカー出力よりも優勢であろう。

周波数ｆ１までの比較的低い周波数においては、スピーカー後側出力が、ポート開口部２６の曲線６２によって優勢である。曲線６２は、Ｌ／Ａに比例する値を有することができ、ここで、Ｌはポート２２の長さであり、Ａはポート開口部２６の面積である。周波数ｆ１超では、スピーカー後側出力が、遮蔽開口部２４の曲線６６によって優勢である。スクリーンのインピーダンス（Ｚ）は、周波数に対して一定である。周波数ｆ２において、ポート及び体積共鳴は、特にスクリーン（複数可）による減衰が小さい場合には、ドライバの円錐運動を減少させるか、又は停止させることができる。これにより、前側（開口部１８）よりも後側からの体積速度がより大きくなり、非理想的な双極子をもたらす。周波数ｆ３超では、スピーカー後側出力は、スクリーンによって依然として優勢であるが、後方体積（６４）の小さいインピーダンスに起因して、ドライバ体積速度の多くが、その体積によって吸収され、結局、スクリーンからはそれほど出て来ない。１つの典型的な非限定的な例では、周波数ｆ１は、約６５０Ｈｚであり、周波数ｆ２は、約３，０５０Ｈｚであり、周波数ｆ３は、約１６，０００Ｈｚである。

図５は、単極音響ソース（曲線７０）、及び２つの異なる双極子ソース（曲線７２及び７４）の場合の、モデル化された漏出（ソースから１メートルでの音圧）対周波数の特性図であり、すべてのソースは、毎秒１．０立方メートルの体積速度を有する。曲線７４の双極子は、１００ミリメートルだけ離間した２つの理想的な点ソースを有し、曲線７２の双極子は、１０ミリメートルだけ離間した２つの理想的な点ソースを有する。波長が双極間隔の約１／３に等しい周波数未満では、双極子からの漏出は、単極子からの漏出よりも少ない。この周波数超では、双極子からの漏出は、単極からの漏出よりも大きい３ｄＢに近づく。したがって、図５は、波長が双極子間隔の約１／３に等しい周波数超で、後側放射を防止又は抑制することによって、音漏出を低減することができることを確証している。これは、後方上に音響ローパスフィルタを作り出すことによって達成することができる。このローパスフィルタは、音響体積及び抵抗器を使って達成することができ、これは、１次ロールオフ、又は音響体積、及びポート（リアクタンス及び抵抗器を有する）を与え、このポートは、２次ロールオフに近づく。

図６は、図１のスピーカー１０などの典型的な理想化されたスピーカーの場合のドライバ変位対周波数の特性図であり、４つのソース体積速度（前方孔１８、後方空洞スクリーン２４、スクリーン２３、及び後方ポート出口２６）の曲線８４を有する。このモデルは、４つのすべてのソースを同一直線上となるように単純化された。耳からのソースの距離は、１０、１５、２３．４、及び３３．５ミリメートルである。これは、長さ５ミリメートルの双極子（曲線８０）、及び長さ３０ミリメートルの双極子（曲線８２）と比較される。すべての場合において、耳に最も近い開口部は、耳から１０ミリメートルのところにあり、双極子ソースは、耳から軸に沿ってすべて同一直線上に存在すると仮定されている。図７は、図６と同じ典型的なスピーカー及び２つの双極子の場合の、１メートル（耳において１００ｄＢのＳＰＬの場合）における平均漏出対周波数の特性図である。これらの曲線は、対象スピーカーの可変有効双極子長が、より低い周波数ではより広い双極子間隔、及びより高い周波数ではより狭い双極子間隔を達成することができることを確証している。

図８Ａは、孔のうちの１つとして受動放射器３１２を使用するスピーカー３００の概略断面図である。この受動放射器は、ポートと比較して（図１の例で使用されたように）可変長双極子遷移をより急峻にする。図８Ｂは、図８Ａのスピーカー３００の後側の場合のインピーダンス対周波数の特性図である。スピーカー３００は、ドライバ３０２を有する。一方の側（この非限定的な例では前側）の体積速度は、前方体積３０６中に向けられ、そしてポート孔３０８を介して外に出る。他方の側（後側）の体積速度は、後方体積３０４に向けられ、遮蔽開口部３１０及び／又は受動放射器３１２を介してスピーカーの外側に音圧を作り出すことができる。受動放射器は、音響分野ではよく知られており、よって、本明細書ではこれ以上説明されていない。

後側インピーダンスが、図８Ｂにプロットされている。周波数ｆ_１までは、体積速度は、スクリーン３１０によって優勢である。ｆ_１からｆ_３までの体積速度は、受動放射器（ＰＲ）３１２によって優勢である。ＰＲ３１２は、遮蔽開口部３１０よりも前方開口部３０８からはるか遠くに離間されているため、ＰＲは、スクリーンよりも極めて大きい双極子を作り出す。周波数ｆ_３超では、後側体積速度の増加量が、スクリーン３１０を介して出て行き、したがって双極子長を減少させる。

音響トランスデューサは、２つ以上のドライバ（又は２つ以上のマイクロホン振動板）を有することができる。例えば、図９Ａのスピーカー３２０は、ハウジング３２１内に配置されたドライバ３２２及び３２４を含む。共通の後方体積３２６は、ポート３２８によって通気され、そのポートは、前方遮蔽開口部３３２及び３３６と同じ、ハウジング３２１の側面上にあり、そこでは、スクリーン３３２は、ドライバ３２２の前側にあり、スクリーン３３６は、ドライバ３２４の前側にある。ドライバ３２４の前方体積３３４はまた、可変長双極子を作り出すように、前方スクリーン３３２及び３３６よりも後方孔３２８からより遠くに離間されている場所で通気されている３３８。

図９Ｂのシステム３４０は、スピーカー３２０を制御するために使用することができる。オーディオ信号は、位相制御及び増幅器システム３４２に入力され、そのシステムは、適切なオーディオ信号をドライバ１（３２２）及びドライバ２（３２４）に送信する。１つの典型的な用途では、低い周波数において、ドライバ３２２及び３２４は、同位相で再生される。これは、ポート３２８の同調周波数において後方体積３２６を加圧し、ドライバ円錐が移動し得るよりも多くの体積速度を作り出す。ドライバ３２４は、ポート３３８に通気する。上部低域／中域／高域周波数では、システム３４２は、位相不一致のドライバを再生するために使用される。その結果、ポート３２８での体積速度はない。上部低域周波数では、スクリーン３３２及びポート３３８からの同等及び反対の体積速度が存在し、大きな双極子長を作り出す。中域／高域周波数では、スクリーン３３６のインピーダンスは、ポート３３８のそれよりも小さいため、ポート３３８よりもスクリーン３３６を介する、より多くの流れが存在し、より小さい双極子長（スクリーン３３２とスクリーン３３６との間の距離）を作り出す。

対象トランスデューサ内の開口部を覆うために使用される抵抗性スクリーンの音響抵抗を選択して、より多くの「理想的な」双極子、すなわち、前側及び後側からの体積速度がより近づいて等しくなるような１つの双極子を達成するのに役立ち得る。ドライバが、その前方及び後方に対して等しい体積速度を有するとみなされる場合、そのときは、前方及び後方の体積、並びにスクリーンは、それぞれの体積速度でのフィルタのように動作する。前方及び後方の遮蔽開口部からの等量の体積速度を達成するには、空洞体積とスクリーン抵抗との乗算値が等しくなる必要がある。したがって、スクリーン抵抗は、それぞれの空洞体積を考慮して選択され得る。同様に、出口が音響質量を有する場合、音響質量を有する前方及び後方孔から等量の体積速度を達成するには、空洞体積と音響質量の乗算値が等しくなる必要がある。したがって、音響質量は、それぞれの空洞体積を考慮して設計され得る。

音響４極子は、２つの逆位相双極子を有する音響素子である。４極子は、双極子よりも小さい遠距離場漏出を有するように設計することができ、したがって、本スピーカーにおいて有利であり得る。図１０Ａ及び１０Ｂは、典型的な４極子スピーカー内の４つの放射器の配置の２つの変形例の概略説明図である。図１１は、図１０Ａ及び１０Ｂの双極子及び４極子の場合の漏出（音圧）対周波数の特性図である。

図１０Ａの直線４極子１００は、互いに位相不一致の点ソース１０２及び１０６、並びに、同様に位相不一致の点ソース１０４及び１０８を含む。ソース１０２及び１０４は、互いに同位相であり、ソース１０６及び１０８も同様である。図１０Ｂの矩形４極子１１０は、互いに位相不一致の点ソース１１２及び１１６、並びに、同様に位相不一致の点ソース１１４及び１１８を含む。ソース１１２及び１１４は、互いに同位相であり、ソース１１６及び１１８も同様である。

図１１の特性図は、各ソースが毎秒１立方メートルの体積速度、及び１０ミリメートルの間隔を有する双極子の場合の、１メートルにおける漏出、すなわち曲線１５０を例示している。また、図１０Ａ及び１０Ｂの２つの４極子の場合の漏出が、曲線１５２によってプロットされており、図１０Ａの直線４極子は、距離ｂ及びＢが両方とも１０ミリメートルである間隔を有し、図１０Ｂの正方形４極子は、距離ｂ及びＢが両方とも１８．７ミリメートルである間隔を有し、ソースはすべて毎秒０．５立方メートルの体積速度を有する。この４極子は、約８ｋＨｚ未満の双極子よりも放射の漏出が少なく、漏出された放射は、周波数が約６０ｄＢ／ｄｅｃにおいて減少するときに下がり、双極子の場合の約４０ｄＢ／ｄｅｃとは対照的である。

図１２は、外耳道４０を有する耳Ｅの近くに配置された典型的な４極子スピーカー１２０の概略側面図である。図１３は、図１２のスピーカー１２０の斜視図である。ポート開口部１２６及び抵抗性遮蔽開口部１２８は、両方とも耳に対面しており、ドライバ１２４の同じ側、好ましくはドライバ１２４の前側の上に両方とも存在する。後側抵抗性遮蔽開口部１３２は、ポート１２６及びスクリーン１２８と同様、ドライバの同じ側に露出されている。スクリーン１３０及び１３４は、ドライバの他方の側に露出されている。孔１２６が遮蔽孔１２８及び１３２にわたって優勢である低い周波数では、ドライバの前側からのほとんど又はすべての体積速度が孔１２６から到来するため、前側から単一の単極ソースのように動作する。孔１２６が、高いインピーダンスに起因して効果的に遮断されるより高い周波数では、孔１２８及び孔１３４又は孔１３０は、４極子の第１の有効な双極子を形成し、これに対して、孔１３２、並びに孔１３４及び１３０のうちの他方は、４極子の他方の有効な双極子を形成する。すべての孔は、図１３に示すように、ハウジング１４０の側壁内に作製される。孔はすべて、概して同一平面上にあり、この非限定的な場合では、ハウジング１４０の平坦な頂部１３９に概して平行である平面内に位置する。無数の可能な４極子設計のうちの他の１つは、図１０Ａの設計と同様の直線設計であるが、２つの同位相ソース１０２及び１０４は、強度が２倍であり、かつソース１０２と１０４との中間に配置されている単一のソースによって置き換えられている。このより強い単一のソースは、外耳道の近くに配置され、すべてのソースが、頭部に装着され、かつ人間が真っ直ぐに立っているときに、垂直線に沿って整列される。

スピーカーは、当業者には明らかなように、無数の他の形態を取ることができる。例えば、図１４は、外耳道４０を有するユーザの耳Ｅの近くで使用中のスピーカー１６０の概略断面図である。スピーカー１６０は、低い周波数を強化するように構築及び配置されているのと同時に、対象となるスピーカーの全体的な目的を依然として達成している。ドライバ１６２の後側には、長い導波管１７４が装着され、導波管１７４に供給する後方体積１６３を含むことができる。ドライバ１６２の前側は、耳に近い遮蔽開口部１７０に通気し、またその耳からより遠くに離れたその開口部１６８を有する短いポート又は導波管１６６にも通気する。長い導波管１７４は、その同調下でさえも、低域同調周波数付近の多くの体積速度を作り出し、ドライバ円錐よりも多くが、それ自体によって放射することができる。この体積速度が前側放射を使って相殺し続けるためには、低い周波数において、前側が、短いポート／導波管を介して耳から離れた方向に放射する。中域／高域周波数では、導波管出力が不十分である場合、前側は、スクリーンを介して放射する。前側が短い導波管／ポートからスクリーンに移行する周波数は、スクリーン抵抗及びポートの音響インピーダンスによって決定される。ポートのインピーダンスが、スクリーンのそれよりも大きい場合、より多くの空気がスクリーンを介して流れ得、その逆もまた同様である。

図１５は、テーパ形スロット放射スピーカー１９０の概略断面図であり、これはまた、低い周波数を強化するようにも最適化されている。ハウジング１９４は、後方体積１９３、及び後方ポート１９６、並びに前方ポート１９８及び２００を含む。スクリーン２０２は、前側体積速度が、テーパ形スロット放射スピーカーの長さに沿って逃れるのを可能にしている。ポート１９６は、ドライバ１９２の後方が、その（低域）同調周波数でより多くの音を放射するのを可能にし、同時にポート１９８及び／又は２００は、前側が中〜低域周波数で放射するのを可能にする。高い周波数では、前方ポートは遮断し、スピーカー１９０は、テーパ形スロット放射スピーカーのように、より多くを動作する。

対象とする音響トランスデューサは、スピーカーに限定されず、同じ原理は、別のタイプの音トランスデューサ、例えばマイクロホンに応用することができる。相反性の原理によって、体積速度Ｑで移動するソース、及び短い双極子長を有する双極子放射器は、遠距離場に対して極めて小さい圧力しか放射せず、また、所与の遠距離場圧力量に対して、マイクロホンの振動板を極めてわずかしか移動させない（すなわち、マイクロホンが低い感度を有する）双極子受信機（マイクロホン）のように動作することもできる。同様に、大きな双極子長受信機（マイクロホン）は、遠距離場の音に対してより感度が高い。また、マイクロホンの振動板の一方の側に接続された孔が、他方の側に接続された孔よりも近接した、話者などの音源を配置することは、近距離場の話者に対してマイクロホンの感度を増加させ得る。

図１６は、本開示に基づく可変双極子マイクロホン２２０の概略断面図である。マイクロホン振動板２２２が、ハウジング２２４内に配置されている。音は、矢印２４０の方向から到来し、振動板２２２の第１の側にあるポート開口部２２８に入ることができ、また、振動板の他方の側にある遮蔽開口部２３２を介して入ることができる。開口部２３６を有するポート２３４は、ハウジングの向こう側に配置され、音源から離れている。体積２３０もまた、含まれ得る。マイクロホン２２０が、孔２３６よりも孔２２８により近い音源に近接して使用される場合（例えば、携帯型又はラペルマイクを例として）、低い周波数では、その応答は、ポート開口部２２８によって優勢となり、したがって、その音（話者）に対して敏感であり、また周囲の拡散ノイズに対してもより敏感となるであろう。しかしながら、低い周波数ノイズ環境であるが、話者に対してより高い感度が重要である場合には、マイクロホン２２０は、便利なものとなるであろう。より高い周波数では、マイクロホンは、話者に対してはそれほど敏感ではないが、周囲のノイズは、振動板に信号をそれほど送達しない。

図１７は、本開示に基づく別の可変双極子マイクロホン２５０の概略断面図である。マイクロホン振動板２５２が、ハウジング２５４内に配置されている。音は、矢印２７０の方向から到来し、振動板２５２の第１の側のポート開口部２５８に入ることができ、またポート２６４のポート開口部２６６を介して入ることができ、その開口部は、振動板２５２の他方の側にある体積２６０と流体連通している。遮蔽開口部２６２は、振動板の他方の側にあり、ハウジングの後側に配置され、音源から離れている。マイクロホン２５０が、孔２６２よりも孔２５８に近い音源に近接して使用される場合（例えば、携帯型又はラペルマイクを例として）、低い周波数では、話者に対するその感度は、比較的低いが、周囲の音に対する感度は、極めて低い。より高い周波数では、話者に対する感度は高く、同時に周囲のノイズ感度もまた、比較的高い。したがって、マイクロホン２５０は、ノイズが、より低い周波数で存在する環境では最も有利であり得る。

複数の実装形態を説明してきた。それにもかかわらず、本明細書に記載される本発明の概念の範囲から逸脱することなく、追加の改変を行うことができ、したがって、他の実施形態も、以下の特許請求の範囲内にあることが理解される。

１０ スピーカー
１２ 音響放射器
１４ ハウジング
１８ 開口部
２２ ポート
２６ 開口部
３０ ヘッドバンド
３４ ヘッドホン
４０ 外耳道
４１ 耳介
５２ 抵抗器
５３、５５ コンデンサ
５４、５６ コイル
１２０ スピーカー
１２４ ドライバ
１２６ ポート開口部
１２８、１３２ 遮蔽孔
１４０ ハウジング
１６０ スピーカー
１６２ ドライバ
１６６ 導波管
１６８ 開口部
１７０ 遮蔽開口部
１７４ 導波管
１９０ スピーカー
１９２ ドライバ
１９４ ハウジング
１９６、１９８、２００ ポート
２０２ スクリーン
２２０ マイクロホン
２２２ 振動板
２２４ ハウジング
２２８ ポート開口部
２３２ 遮蔽開口部
２３４ ポート
２３６ 開口部
２５０ マイクロホン
２５２ 振動板
２５４ ハウジング
２５８ ポート開口部
２６２ 遮蔽開口部
２６４ ポート
２６６ ポート開口部
３００ スピーカー
３０２ ドライバ
３０８ 開口部
３１２ 受動放射器（ＰＲ）
３２０ スピーカー
３２１ ハウジング
３２２、３２４ ドライバ
３２８ ポート
３３６ 遮蔽開口部
３３６ スクリーン
３３８ ポート

Claims (24)

1. スピーカーであって、
   前側音響放射をその前側から放出し、後側音響放射をその後側から放出する音響放射器と、
   前記前側音響放射及び前記後側音響放射を方向付けるハウジングと、
   前記ハウジング内の複数の放音孔であって、孔間の距離がスピーカー双極子の有効長を画定する、複数の放音孔と、を備え、
   前記ハウジング及びその孔は、前記有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置されている、スピーカー。
2. 前記有効双極子長が、より高い周波数におけるよりも、より低い周波数において大きい、請求項１に記載のスピーカー。
3. 孔が、抵抗性スクリーンにより覆われた前記ハウジング内の開口部を含む、請求項１に記載のスピーカー。
4. 孔が、ポート開口部を含む、請求項１に記載のスピーカー。
5. 前記音響放射器と孔との間に音響伝送路を更に備える、請求項１に記載のスピーカー。
6. 装着者の頭部に前記スピーカーを装着するための構造体を更に備え、前記音響放射器は、前記スピーカーがユーザの頭部に装着されたときに、前記ユーザの耳の近くに保持されるが前記耳を覆わない、請求項１に記載のスピーカー。
7. 第１、第２、及び第３の孔が、それぞれ、第１、第２、及び第３のポート開口部を含み、前記第１のポート開口部が、前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信し、前記第２及び第３のポート開口部が、両方とも、前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信するが、前記第１のポート開口部が受信するものと同じ音響放射を受信しない、請求項１に記載のスピーカー。
8. 前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信するが、前記第１のポート開口部が受信するものと同じ音響放射を受信しない通気型音響伝送路を更に備え、前記第２のポート開口部が、前記音響放射器に近接して前記音響伝送路内にあり、前記第３のポート開口部が、前記第２のポート開口部よりも、前記音響放射器から更に遠くで前記音響伝送路内にある、請求項７に記載のスピーカー。
9. 第１の孔が、抵抗性スクリーンにより覆われた前記ハウジング内の第１の開口部を含み、第２の孔が、前記ハウジング内の第２の開口部を含む、請求項１に記載のスピーカー。
10. 前記第１及び第２の孔が、両方とも、前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信する、請求項９に記載のスピーカー。
11. 前記ハウジング内の第３の放音孔を更に備え、前記第３の孔が、前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信するが、前記第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない、請求項１０に記載のスピーカー。
12. 前記第３の孔が、ポート壁により画定されたポートの端部に開口部を含み、前記スピーカーが、ポート定在波共振を低減する前記ポート内の構造体を更に備える、請求項１１に記載のスピーカー。
13. ポート定在波共振を低減する前記ポート内の前記構造体が、抵抗性スクリーンにより覆われたポート壁内の開口部を含む、請求項１２に記載のスピーカー。
14. 前記第１及び第２の孔によって受信されない前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信する通気型音響伝送路を更に備える、請求項１０に記載のスピーカー。
15. 装着者の頭部に前記スピーカーを装着するための構造体を更に備え、前記音響放射器は、前記スピーカーが前記ユーザの頭部に装着されたときに、前記ユーザの耳の近くに保持されるが前記耳を覆わず、前記第１の孔及び前記音響伝送路孔が、両方とも前記耳の方向に向けられている、請求項１４に記載のスピーカー。
16. 前記ハウジング内の第３及び第４の放音孔を更に備え、前記第３及び第４の孔が、両方とも前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信するが、前記第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない、請求項１０に記載のスピーカー。
17. 装着者の頭部に前記スピーカーを装着するための構造体を更に備え、前記音響放射器は、前記スピーカーが前記ユーザの頭部に装着されたときに、前記ユーザの耳の近くに保持されるが前記耳を覆わず、前記第１及び第２の孔が、両方とも前記第３及び第４の孔よりも前記耳に近い、請求項１６に記載のスピーカー。
18. ４つの孔すべてが、概して同一平面上にある、請求項１６に記載のスピーカー。
19. 前記第３の孔が、抵抗性スクリーンにより覆われた前記ハウジング内の第３の開口部を含み、前記第４の孔が、前記ハウジング内の第４の開口部を含む、請求項１６に記載のスピーカー。
20. 孔が、受動放射器を含む、請求項１に記載のスピーカー。
21. ２つの音響放射器と、前記２つの音響放射器の各々により放出された前記音響放射の位相を制御するためのシステムとを備え、両方の音響放射器が、それの一方の側面上で共通の音響体積に流体結合され、第１の孔が前記共通の音響体積に流体結合され、第２の孔が一方の音響放射器の別の側面に流体結合され、第３の孔が他方の音響放射器の別の側面に流体結合されている、請求項１に記載のスピーカー。
22. スピーカーであって、
    前側音響放射をその前側から放出し、後側音響放射をその後側から放出する音響放射器と、
    前記前側音響放射及び前記後側音響放射を方向付けるハウジングと、
    装着者の頭部に前記スピーカーを装着するための構造体であって、前記音響放射器は、前記スピーカーが前記ユーザの頭部に装着されたときに、前記ユーザの耳の近くに保持されるが前記耳を覆わない、構造体と、
    前記ハウジング内の複数の放音孔であって、孔間の距離がスピーカー双極子の有効長を画定する、複数の放音孔と、を備え、
    前記ハウジング及びその孔は、前記有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置され、前記有効双極子長が、より高い周波数におけるよりも、より低い周波数において大きく、
    第１の孔が、抵抗性スクリーンにより覆われた前記ハウジング内の第１の開口部を含み、第２の孔が、前記ハウジング内の第２の開口部を含み、前記第１及び第２の孔が、両方とも前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信し、前記ハウジング内の第３の放音孔を更に備え、前記第３の孔が、前記前側音響放射又は前記後側音響放射のいずれかを受信するが、前記第１及び第２の孔が受信するものと同じ音響放射を受信しない、スピーカー。
23. 前記第３の孔が、抵抗性スクリーンにより覆われた前記ハウジング内の第３の開口部を含む、請求項２２に記載のスピーカー。
24. 音響トランスデューサであって、
    前側音響放射をその前側から又はその前側に放出又は受信し、後側音響放射をその後側から又はその後側に放出又は受信する音響素子と、
    前記前側音響放射及び前記後側音響放射を方向付けるハウジングと、
    音が前記ハウジングに入ること、又は音が前記ハウジングから出ることを可能にする、前記ハウジング内の複数の孔であって、孔間の距離が前記トランスデューサの音響双極子の有効長を画定する、複数の孔と、を備え、
    前記ハウジング及びその孔は、前記有効双極子長が周波数依存性であるように構築及び配置されている、音響トランスデューサ。