JP2020178196A - ウエアラブル音響装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピーカの音圧は振動板の振幅に比例する。振幅は口径の２乗と再生周波数の２乗に反比例する。つまり口径が小さく周波数が低いほど急激に振幅が小さくなり音圧が低下する。このために低音再生するためバスレフ構造を使っても元の音圧が低いのでその効果は限定される。本発明はこれらの低音不足の課題を口径と距離だけの関係でシンプルに解決するウェアラブル音響装置を提供する。【解決手段】スピーカは振動板の前後で音波の位相が反転しているので通常は大きなバッフル板ないし箱に入れて前後の音波の干渉を防いでいる。しかし後面開放したスピーカから口径以下の距離内であれば、この干渉が小さくなることを見つけスピーカの口径と耳介までの距離を適切に設定することによりシンプルでかつ充分な低音が再生出来、かつ周囲へは迫力ある迷惑な低音が拡散しない、かつ電力も僅かしか消費しないと言う理想的なウェアラブル音響装置が実現できた。【選択図】図１

Description

本発明は頭部と耳介でスピーカを支持し耳と接触する既存のヘッドホンではなく、スピーカを肩で支持し耳介には接触しないウェアラブル音響装置に関するものである。

ヘッドホンは頭部と耳介でスピーカを支持し低音の音圧を減衰しないよう耳介にスピーカを介して圧力をかけて隙間が出来ないようにしている。その圧迫感は多くのユーザには不快である。耳介を圧迫しないインナータイプがあるが外耳道も耳と考えれば、やはり異物が耳に接触しているので長時間の使用は快適ではない。また密着するので左右の音が完全に分離するためいわゆる部屋で聴くステレオの音（左右の音が混ざり合う音）とは異なった音に違和感をもつユーザもいる。一方最近はネック（バンド）スピーカと言われる全く別のタイプも登場している。両肩に上向きになったスピーカを配置するもので耳介までの距離が10ｃｍ程度離れているため従来のへッドホンの様な密閉感がないクリアな音質が好評であるが、代わりに周囲へ音漏れがあるため主に家庭内での用途として使われている。本発明はこのネック（バンド）タイプの弱点である低音感が不足するという問題点を大幅に改善するモノである。

特開2009-201088 特開2008-263374 特開2018-148584

上述の特許文献1-2に記載のウェアラブルスピーカにおいては低音の再生に関する機構が備えられていない。特許文献3に関しは低音を改善するためバスレフダクトを適切に設計しているため文献1-2よりは低音が改善されたとある。しかし基本的にウェアラブルのためスピーカの口径が小さいので中高音に比べ低音の音圧は大幅に低下するのが一般的である。中高音と同じ音圧を低音で出すにはスピーカの振動板の可動範囲を大幅に拡大せねばならず特にウエアラブルに使われる2〜3ｃｍの小型薄型スピーカの奥行きでは、低音増強に必要な振幅が十分にはとれず大きな効果は期待できない。

具体的に言えば文献3を実施することで50Hzの周波数で100ｄB程度の音圧が耳元で再生できるかと言うと特定周波数のみをスピーカ以外のパーツで共振させるなどの音響的には不自然な方法を除き、困難と思われる。本発明は過去に出願されているウェアラブル音響装置の低音増強の方法では全く音圧が足らないことを説明し、具体的に充分な低音を再生させる方法を示すものである。

本発明は図1に示すU字あるいはコの字型の肩に載せるベース部（1）と肩より上部の耳の近傍に位置する左右のスピーカ部（2）を固定するための支柱（３）さらにベース部（１）が肩からの脱落を防止するためのストラップ（9）の4つのパーツで構成される。

図2は本発明の使用状態を示すものである。肩と首周りにベース部（1）が陣取り、支柱（３）が耳の近くのスピーカ（２）を耳介に向いて固定させる。支柱（３）は可動性があり使用中に頭部がスピーカ（２）を押した場合に撓る構造を持たせることも可能である。また使用後に収納する時はスピーカ（２）ないし支柱（３）込みでベース部（１）から離脱する構造を持たせてもよい。さらに携帯電話の落下防止と同様、ベース部が（１）が肩から脱落するのを防ぐ目的でストラップ（9）や同じ機能の構造を持つことも可能である。

図3で示される距離（４）とはスピーカ（２）と耳介の隔たりの長さである。口径（５）はスピーカの振動板の大きさである。本発明は肩に載ったスピーカ（２）の口径（5）と耳介までの距離（４）の特定の条件を満たすことにより低音の音圧を大幅に改善するものであり、その仕組みを以下で説明する。

図4の周波数特性（以下F特と記述する）は口径10ｃｍの一般的なスピーカの特性である。図4の中の系列2（７）が標準箱に収めて距離1ｍで出力1Wの時のF特である。図4の中の系列1（６）は同スピーカを箱には入れず0.1ｍの距離で出力1Wの時のF特である。本来なら系列3（８）のような特性であれば理想的であるが箱がない状態では無理な願望である。0.1ｍと言う距離はウェアラブルとして肩に載ったスピーカから耳介までの距離にほぼ近い長さである。ウェアラブルではなく一般的な聴き方であれば1ｍの距離でよい。

図4の中の系列1（６）の見方は音圧の絶対値は気にせず相対的なF特だけを見る。すると中高域の音圧は高く低域が低いので一般的には低音が不足している感じの音質となる。スピーカは大きな箱に収めないと2KHｚ以下の帯域では音圧が急激に減衰するためである。但し0.2ｍ0.3ｍ0.4ｍと距離（４）を大きくして測定してみると低音域の減衰はさらに急激に大きくなる。口径（５）10cmのスピーカでは0.1ｍの距離（４）以上で使用すると低音の減衰量が大きすぎて回路では補正しきれないレベルになる。

この傾向は口径（５）を変えて測定してみても同じであり口径（５）Ncmのスピーカで耳介から離せる距離（４）はNcmであるという仮説を作った。具体的には図４の系列1（６）のF特の場合は400Hzを基準に低域側では50Hzで最低15ｄB増幅し高域側では各凸凹に合わせ各周波数で最大20ｄB減衰させる様な補正を行えば平坦な特性を得られるのである。

実際に聴く音圧は図4の系列1（６）より20ｄB程度下がった75ｄB近辺である。20ｄB下がると言うことはパワーで言うと1/100、つまり
僅か10ｍWなのである。つまり低域で15ｄBほど増幅するF特の補正をかけてもDレンジの点でも問題はない。逆に高域側では20ｄBも減衰させるのでSNの改善に貢献する。

既存のウェアラブル音響装置は多くが口径（5）2ｃｍ程度のスピーカを使用しているのにもかかわらず耳介までの距離（４）が0.1ｍと本発明の仮説から大きく外れる物理的な構成を取るので低域の音圧が不足するのは当然であり、バスレフダクト等の工夫では不足分の音圧は到底補えない。

周波数とスピーカの口径（５）が決まれば使用時の音圧を得るのに必要な振動板の振幅の理論値は計算ができる。例として従来のウェアラブル音響装置で良く用いられている口径（５）2ｃｍのスピーカで50Hzの100ｄBの音圧を耳介から0.1ｍの距離（４）で得るにはスピーカの振動板は約150ｍｍも動く必要がある。口径（５）2ｃｍのスピーカでは15ｃｍの振幅をさせるのは構造的に困難である。仮に口径（５）10ｃｍのスピーカであれば振幅は6ｍｍで実現可能な値になる。

結局ウェアラブル音響機器ではスピーカの口径（５）と耳介までの距離（４）の関係を熟慮しないで低音域の音圧の確保は出来ないと結論される。以上の構成によりなるウェアラブル音響装置

スピーカから耳までの距離（４）をスピーカの口径（５）により適正に設定することによりシンプルな構成でも省電力で低音域まで充分な音圧で再生できる。かつその迫力ある低音でもスピーカ（２）から口径（5）の長さ以上離れると急速に減衰し周りには迷惑にならない理想的なパーソナル、ウェアラブル音響装置が実現出来る。

本発明の全体の構成を示す斜視図 本発明のウェアラブル音響装置の使用状態を示す斜視図 本発明の耳介とスピーカの関係を示す図 一般的スピーカの周波数特性(X軸=周波数（Hz)Y軸=音圧（ｄB))の図

本発明は1人だけ（パーソナル）は大音量の迫力で映画や音楽を楽しめるのに周りの人達には音で迷惑をかけないことが特徴なので家庭におけるニーズはもちろんのこと、インターネットカフェ、漫画喫茶、一人カラオケ、コンサートホールのVIP席、電子楽器教室、賃貸ワンルームマンションなど迫力ある音を楽しませたい一方で防音工事にはコストにかけたくない業務用の業界の悩みも解決できる発明なのである。

設備費のセーブだけでなく電力の大幅削減も可能なので社会的な環境にも貢献できる。例えば感度85ｄBのスピーカで110ｄBの音圧を0.1ｍの距離に届けるには約3Wの電力が必要だが、32ｍ先のコンサート会場のお客様に同じ110ｄBの大音量を届けるには316KWの電力が必要となる。仮に会場には1000人が居るとすると1人当たり316Wの電力が必要であるが本発明のウェアラブル音響装置で音を提供すれば1人当たり3Wと約1/100の省エネが実現出来る。

また音質も耳まで僅か0.1ｍと近くから発生する音と32ｍを先から送られてくる音では質に大きな差が生じる。1つは時間差で約0.1秒も遅れて到達する。また会場の天井や壁などの反射が大きく音質を損なう要因となる。また316KWもの音量は地域の関係ない所にまで騒音として迷惑をかけることにもなる。各人がウェアラブル音響装置を装着すれば音質的にも最高の状態で聴く事が出来る。営業上のリスクとしても会場におけるPA設備が1つ故障すれば1000人が同時に影響を受けるのであるが個別であれば僅か1人と無視できるほどの小さなリスクに変えることができる。

1 ベース部
2 スピーカ
3 支柱
4 距離
5 口径
6 系列1
7 系列2
8 系列3
9 ストラップ

Claims (5)

1. 口径（５）Nｃｍのスピーカ（2）を用い耳までの距離（４）をNcm近傍あるいはNcm以内に配置可能なようにベース部（１）と支柱（２）で構築しかつ頭部には接触しない構造とし左右で２つ以上の後面開放されたスピーカ（２）を有する構成を特徴とするウエアラブル（体に装着する）音響装置
2. 請求項１の使用状態おいて中高音域の音圧と低音域の音圧がスピーカを通常の箱に入れた時の周波数特性が異なるのでこれを補正する仕組みを有することを特徴とする請求項1のウェアラブル音響装置
3. 左右に配置されたスピーカ（２）に頭部が動いて接触した時にスピーカ（２）が単体もしくは支柱（３）を介して撓る構造を有することを特徴とする請求項1のウェアラブル音響装置
4. スピーカ（２）は肩の位置を0度とした時、上方向に30から135度（90度で耳と平行）の範囲内に配置され使用しない時には着脱することも出来る構造を有することを特徴とする請求項1のウェアラブル音響装置
5. 使用する人の動きによりベース部（１）が肩より床へ脱落しないようにストラップ（９）ないし同じ機能を果たす機構を有することを特徴とする請求項1のウェアラブル音響装置

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