JP2021190792A - スピーカ、解析装置、及び解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設計自由度を向上させることが可能なスピーカ、解析装置、及び解析方法を提供する。【解決手段】スピーカは、シェル形状の振動板１４と、振動板の端部を励振させるアクチュエータと、を備える。アクチュエータの駆動力は、振動板１４の厚み方向に直交する方向である１４Ａの面（ｚ方向）に対して入力される。アクチュエータが振動板の端部に当接され、そのアクチュエータの駆動力が振動板の端部へと伝わった場合、振動板には屈曲振動（たわみ振動）が励起され、振動板より音響放射がなされる。【選択図】図３

Description

本発明は、スピーカ、解析装置、及び解析方法に関する。

エキサイタと呼ばれる導電型のアクチュエータと平板とを組み合わせた分布モードスピーカ（Distributed Mode Loudspeaker；ＤＭＬ）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

Harris, Neil and Hawksford, Malcolm J., "The Distributed-Mode Loudspeaker (DML) as a Broad-Band Acoustic Radiator," presented at the Audio Engineering Society Convention 103 (1997 Sep), convention paper 4526.

しかしながら、従来の技術では、スピーカの設計自由度が低かった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、設計自由度を向上させることが可能なスピーカ、解析装置、及び解析方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様は、シェル形状の振動板と、前記振動板の端部を励振させるアクチュエータと、を備えるスピーカである。

本発明の一態様によれば、スピーカの設計自由度を向上させることができる。

実施形態に係る解析装置１００の構成の一例を表す図である。 シェル構造型スピーカ１０に含まれるアクチュエータ１２の一例を表す図である。 シェル構造型スピーカ１０に含まれる振動板１４の一例を表す図である。 シェル構造型スピーカ１０に含まれる振動板１４の一例を表す図である。 シェル構造型スピーカ１０に含まれる振動板１４の一例を表す図である。 シャローシェルについて説明するための図である。 電気機械−音響連成解析の一連の処理の流れを表すフローチャートである。 アクチュエータ１２の等価回路の一例を表す図である。 駆動力Ｆ_ｉｎが与えられたときの振動板１４の速度分布の一例を表す図である。 駆動力Ｆ_ｉｎが与えられたときの振動板１４の速度分布の一例を表す図である。 半円筒形状の振動板１４の波の速度と、比較例であるフラット形状の振動板１４の波の速度の比較結果を表す図である。 半円筒形シェルの音響放射パワーレベルと、比較例である平板の音響放射パワーレベルの比較結果を表す図である。 平板の指向性を表す図である。 平板の指向性を表す図である。 半円筒形シェルの指向性を表す図である。 半円筒形シェルの指向性を表す図である。 互いに曲率の異なる複数の半円筒形シェルのそれぞれの音響放射パワーの比較結果を表す図である。 軸対称シェルと非軸対称シェルとのそれぞれの音響放射パワーの比較結果を表す図である。

以下、図面を参照し、本発明のスピーカ、解析装置、及び解析方法の実施形態について説明する。

［解析装置の構成］
図１は、実施形態に係る解析装置１００の構成の一例を表す図である。図示のように、解析装置１００は、例えば、入力部１１０と、出力部１２０と、記憶部１３０と、処理部１４０とを備える。

入力部１１０は、例えば、ユーザから各種の入力操作を受け付けるユーザインターフェースである。入力部１１０は、入力操作を受け付けると、その受け付けた入力操作を電気信号に変換して処理部１４０に出力する。例えば、入力部１１０は、マウスやキーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパネルであってよい。

出力部１２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイ、スピーカといったユーザインターフェースである。ディスプレイには、例えば、処理部１４０によって生成された画像が表示されたり、ユーザから各種の入力操作を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）が表示されたりしてよい。

記憶部１３０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などにより実現される。記憶部１３０には、ファームウェアやアプリケーションプログラムなどの各種プログラムが格納される。

処理部１４０は、例えば、解析部１４２と、出力制御部１４４とを備える。これらの構成要素は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサが記憶部１３０に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、処理部１４０の構成要素の一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。

解析部１４２は、シェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析する。シェル構造型スピーカ１０とは、アクチュエータ１２と、シェル形状の振動板１４とを組み合わせたスピーカである。

出力制御部１４４は、解析部１４２による解析結果を出力部１２０に出力させる。解析結果の詳細については後述する。

図２は、シェル構造型スピーカ１０に含まれるアクチュエータ１２の一例を表す図である。例えば、アクチュエータ１２は、交流電圧が印加されると、駆動力を出力する導電型のエキサイタ（加振器）であってよい。このようなエキサイタは、例えば、ボイスコイルモータである。アクチュエータ１２は、動電型のエキサイタに限られず、ＰＺＴ（Lead Titanate Zirconate）に代表されるような圧電セラミックスや、圧電薄膜、圧電高分子膜といった圧電型のエキサイタであってもよい。

図３から図５は、シェル構造型スピーカ１０に含まれる振動板１４の一例を表す図である。図３は、長辺が１８０度の円弧に湾曲した半円筒形状の振動板１４を表している。図４は、円筒形状の振動板１４を表している。図５は、ホーン形状の振動板１４を表している。特に、円筒形状の振動板１４とホーン形状の振動板１４は、アクチュエータ１２の駆動力が入力される方向（図中ｚ方向）に関して軸対称な形状である。

このように、振動板１４は、その表面が任意の曲率で形成されたシェル形状の曲面板であってよい。振動板１４は、例えば、樹脂、金属、ガラス、プラスチック、木材といった種々の材質であってよい。振動板１４の端部にはアクチュエータ１２が当接される。例えば、振動板１４が直方体を曲げた薄い曲面板である場合、振動板１４の端部は、その直方体の厚み方向の面（例えば図中１４Ａの面）となる。言い換えれば、アクチュエータ１２の駆動力は、振動板１４の厚み方向に直交する方向（ｚ方向）に対して入力される。アクチュエータ１２が振動板１４の端部に当接され、そのアクチュエータ１２の駆動力が振動板１４の端部へと伝わった場合、振動板１４には屈曲振動（たわみ振動）が励起される。すなわち、振動板の振動モードは、屈曲振動モードとなる。

［理論］
以下、シェル構造型スピーカ１０の解析方法を説明するのに先立って、まずはシェル形状の振動板１４の振動理論について説明する。シェル形状の振動板１４は、例えば、シャローシェル（扁平シェル）における振動の理論を基に考察することができる。

図６は、シャローシェルについて説明するための図である。シャローシェルとは、例えば、あるｘｙ平面に振動板１４が拡がっており、その振動板１４のｘ軸における曲率半径Ｒｘとし、ｙ軸における曲率半径Ｒｙとしたときに、振動板１４がｘ軸において曲率半径Ｒｘでわずかに曲げられており、ｙ軸において曲率半径Ｒｙでわずかに曲げられたような形状である。言い換えれば、シャローシェルは、ｘ／Ｒｘ及びｙ／Ｒｙが共に１よりも小さいという条件を満たした形状である。そのため、振動板１４の少なくとも一部分がｘ／Ｒｘ＜＜１、且つｙ／Ｒｙ＜＜１であれば、振動板１４はシェル形状（シャローシェル）であると見做すことができる。

シャローシェルの振動の理論式は、数式（１）−（７）によって表される。

数式（１）−（７）におけるＥｐは伸縮剛性を表しており、Ｇはせん断弾性率を表し、Ｄは曲げ剛性を表している。伸縮剛性Ｅｐは、数式（８）によって表すことができ、曲げ剛性Ｄは、数式（９）によって表すことができる。

振動板１４の縦波の速度ＣＬは、数式（１０）によって表され、屈曲波（曲げ波）の速度ＣＢは、数式（１１）によって表される。

Ｅ、ν、ρ、及びＧは材料パラメータである。パラメータＥはヤング率を表し、νはポアソン比を表し、ρは密度を表し、Ｇはせん断弾性率を表している。

数式（１）、（４）、及び（６）において、面内変位｛ｕ，ｖ｝と面外変位｛ｗ｝は、Ｌ_１３、Ｌ_２３で結合している。すなわち、シャローシェルに対して面内方向の振動を加振しても、シェル構造によって面外方向の振動に対向しており、理論的には音響放射に寄与する。

しかしながら、シェルの曲率半径（Ｒｘ、Ｒｙ）が十分に大きい場合には、Ｌ_１３、Ｌ_２３がゼロに近づき、面内変形と面外変形は結合しない。したがって、この条件で平板を面内方向に振動させても、面外変形は結合しない。平板が音響放射に寄与するのは、Ｌ_３３を含む屈曲振動方程式に従って面外方向に振動した場合のみである。

本実施形態で説明するシャローシェルの振動理論では、シェルの曲率が十分に小さく、特定の境界条件の下でのみ正確な解が得られる。大きな曲率を持つシェル構造の場合、理論式から厳密解が得られない場合がある。そのため、シェル振動の具体的な近似解を得るためには、以下に示すような有限要素解析などのシミュレーション手法を用いてよい。

［シミュレーション］
解析部１４２は、シェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析するために、図７に表すフローチャートに従って、電気機械−音響の連成解析を行う。図７は、電気機械−音響連成解析の一連の処理の流れを表すフローチャートである。

まず、解析部１４２は、アクチュエータ１２の等価回路を用いて、ある入力電圧ｅ_ｉｎからアクチュエータ１２の駆動力Ｆ_ｏｕｔを計算する（ステップＳ１００）。

図８は、アクチュエータ１２の等価回路の一例を表す図である。図示の例では、アクチュエータ１２がボイスコイルである場合の等価回路を表している。等価回路のパラメータは、アクチュエータ１２の入力端子からの電気インピーダンスを測定した結果に基づいて決定されてよい。また、アクチュエータ１２のインピーダンスには、Ｌ２Ｒモデルを用いてよい。アクチュエータ１２内の電気機械的トランスデューサは、回動抵抗値が力率Ｂｌである回動子で表される。Ｃ_ＭＳとＲ_ＭＳは、それぞれサスペンションの機械的コンプライアンスと機械的抵抗を表している。Ｍ_ＭＶは、ボイスコイルの質量を表している。Ｒ_ＭＭ及びＭ_ＭＭは、ボイスコイルの磁石の機械的抵抗と質量を表している。この等価回路を用いることで、任意の入力電圧ｅ_ｉｎからアクチュエータ１２の出力駆動力Ｆ_ｏｕｔを得ることができる。

例えば、解析部１４２は、アクチュエータ１２の等価回路に対して所望の入力電圧（例えば２．８３［Ｖｒｍｓ］）を印加することで、アクチュエータ１２の駆動力Ｆ_ｉｎを計算する。

図７のフローチャートの説明に戻る。次に、解析部１４２は、アクチュエータ１２の等価回路と有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、振動板１４の端部にアクチュエータ１２を当接したときに、アクチュエータ１２から振動板１４へと入力される駆動力（機械的な振動）を計算する（ステップＳ１０２）。

例えば、解析部１４２は、等価回路解析と有限要素解析（ＦＥＡ）との結合の弱さを考慮して、アクチュエータ１２から振動板１４へと入力される有効駆動力Ｆ_ｉｎを、数式（１２）のように計算してよい。

数式（１２）におけるＺ_ＭＯは、アクチュエータ１２の出力端子から見た機械的インピーダンスを表している。Ｚ_ＭＩは、振動板１４の端部から見た機械的インピーダンスを表している。例えば、解析部１４２は、機械的インピーダンスＺ_ＭＯを、等価回路により算出し、機械的インピーダンスＺ_ＭＩを、有限要素法により算出する。そして、解析部１４２は、算出したＺ_ＭＯ及びＺ_ＭＩを数式（１２）に代入することで、振動板１４への入力駆動力Ｆ_ｉｎを算出する。

図７のフローチャートの説明に戻る。次に、解析部１４２は、有限要素法を用いて、振動板１４への入力駆動力Ｆ_ｉｎから振動板１４の速度分布を計算する（ステップＳ１０４）。

図９及び図１０は、駆動力Ｆ_ｉｎが与えられたときの振動板１４の速度分布の一例を表す図である。図９の振動板１４は、６００［Ｈｚ］で振動させており、モードは形成されず端部のみがアクチュエータ１２に追従して振動している。図１０の振動板１４は、６３００［Ｈｚ］で振動させており、振動速度の大きい格子状屈曲振動モードが形成されている。シャローシェルの振動理論で説明した通り、振動板１４の端部に駆動力Ｆ_ｉｎを入力することで、振動板１４の面内変形が面外変形に変換される現象が発生する。これによって、大きな振動速度を得ることができる。

図７のフローチャートの説明に戻る。次に、解析部１４２は、境界要素法（ＢＥＭ）を用いて、振動板１４の速度分布から振動板１４の周囲への音響放射パワーを計算する（ステップＳ１０６）。機械的振動を計算するための有限要素解析と音響放射を計算するための境界要素解析は強結合解析である。したがって、解析部１４２は、例えば、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）ソフトウェアを用いて振動板１４の音響放射パワーを計算してよい。具体的には、解析部１４２は、半径１［ｍ］の球体を通過する音響放射パワーを１／１２オクターブ間隔で１００［Ｈｚ］〜２０［ｋＨｚ］の自由音域で計算してよい。解析部１４２は、音響放射パワーに代えて、或いは加えて、音響放射圧や放射速度などを計算してもよい。音響放射パワー、音響放射圧、放射速度は、「指標値」の一例である。

次に、出力制御部１４４は、解析部１４２による解析結果を出力部１２０に画像や音声として出力させる（ステップＳ１０８）。例えば、出力制御部１４４は、振動板１４の振動速度の算出結果や、音響放射パワーの算出結果などを出力部１２０に出力されてよい。これによって本フローチャートの処理が終了する。

なお、上述したフローチャートでは、解析部１４２が、等価回路解析と、有限要素解析と、境界要素解析とを組み合わせて、シェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析するものとして説明したがこれに限られない。例えば、解析部１４２は、等価回路解析と有限要素解析とを組み合わせてシェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析してもよいし、有限要素解析と境界要素解析とを組み合わせてシェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析してもよいし、有限要素解析のみを用いてシェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析してもよい。すなわち、解析部１４２は、少なくとも有限要素法を用いて、シェル構造型スピーカ１０の音響特性を解析してよい。

［解析結果］
以下、シェル構造型スピーカ１０の音響特性の解析結果について説明する。図１１は、半円筒形状の振動板１４（以下、半円筒形シェル）の波の速度と、比較例であるフラット形状の振動板１４（以下、平板）の波の速度の比較結果を表す図である。図中の三角マーカは、半円筒状シェルの波速の推定値を表し、丸マーカは、平板の波速の推定値を表している。実線は、屈曲波の速度ＣＢの理論値を表し、破線は、縦波の速度ＣＬの理論値を表している。

比較例である平板の波速は周波数の平方根に比例している。すなわち、これらは屈曲波の速度ＣＢの理論値とほぼ一致している。半円筒形シェルの波速は、３［ｋＨｚ］未満の周波数帯において、屈曲波の速度ＣＢの理論値とほぼ一致しており、３［ｋＨｚ］以上の周波数帯において、周波数に依らずにほぼ一定であり、縦波の速度ＣＬの理論値とほぼ一致している。これらの結果から、平板は屈曲波のみであるのに対し、半円筒形シェルは屈曲波と縦波の両方を有していることがわかる。すなわち、半円筒形シェルは、高周波域において縦波による振動モードが形成されるため、平板では発生しない面内変形が発生しやすくなる。

図１２は、半円筒形シェルの音響放射パワーレベルと、比較例である平板の音響放射パワーレベルの比較結果を表す図である。どちらの振動板１４にもエンクロージャーを取り付けていないため、回折した音響波の位相によりキャンセルされ、１［ｋＨｚ］以下の周波数帯では両者ともに６［ｄＢ／ｏｃｔ］程度低下している。

平板では、１［ｋＨｚ］以下の周波数帯において、屈曲振動モードによる顕著なピークが発生している。更に、平板では、３［ｋＨｚ］以上の周波数帯において、アクチュエータ１２と振動板１４との接続箇所である端部において力の反射が大きいため、音響放射パワーが低下している。一方、半円筒形シェルでは、１［ｋＨｚ］以下の周波数帯において、アクチュエータ１２の動きに追従しており、屈曲波によるモード振動が少なく、滑らかな音響特性を有している。更に、半円筒形シェルでは、４［ｋＨｚ］以上の周波数帯において、縦波の面外振動への変換による多重共振が顕著に見られる。この共振を含む周波数帯域では、半円筒シェルの音響放射パワーは平板よりも高い。このように、シェル構造により振動板１４の面内変形が面外変形へと変換されるため、高周波帯であっても十分な音響放射パワーを得ることができる。

図１３及び図１４は、平板の指向性を表す図である。図１５及び図１６は、半円筒形シェルの指向性を表す図である。図示のように、半円筒形シェルは平板に比べて指向性が広く、無指向性を有している。

図１７は、互いに曲率の異なる複数の半円筒形シェルのそれぞれの音響放射パワーの比較結果を表す図である。振動板１４の長辺を、０度、１５度、４５度、９０度、１８０度の円弧に変化させたときに、振動板１４の一方の端部にはアクチュエータ１２を取り付けて加振し、他方の端部は固定端としている。

曲率が０度の振動板１４（すなわち平板）の音響放射パワーは、全帯域において６０［ｄＢ］以下であり、ほとんど音が発生していない。これは、振動板１４の端部を励振しても面外変位が生じないためである。一方、曲率が１５度以上の振動板１４（すなわち半円筒形シェル）の音響放射パワーは、面外変位の発生により曲率が０度のときよりも音響放射パワーが大きく、大きな音が発生している。

また、曲率が１８０度の振動板１４は、他の曲率の振動板１４と比べて周波数の平坦性が良好である。これらの結果は、振動板１４の曲率が音響放射パワーの周波数特性に影響を与えることを示唆している。具体的には、曲率が大きいほど音響放射パワーの周波数特性が良いことを示している。

図１８は、軸対称シェルと非軸対称シェルとのそれぞれの音響放射パワーの比較結果を表す図である。軸対称シェルとは、例えば、円筒形状の振動板１４やホーン形状の振動板１４であり、非軸対称シェルとは、例えば、半円筒形シェルである。以下、円筒形状の振動板１４を「円筒形シェル」と称し、ホーン形状の振動板１４を「ホーン形シェル」と称して説明する。

円筒形シェルの音響放射パワーは、低周波帯域において、半円筒形シェルの音響放射パワーよりもはるかに低い。しかしながら、１０［ｋＨｚ］以上の周波数帯域では、円筒形シェルの方が半円筒形シェルよりも多くの音響パワーを放射している。ホーン形シェルの音響放射パワーは、１［ｋＨｚ］以下では回折の影響で滑らかに減少している。また、ホーン形シェルは、格子状屈曲振動モード下において、半円柱状シェルよりも共振が顕著である。さらに、ホーン形シェルは、半円柱型よりも広い高周波帯域を有している。これらの結果から、振動板１４にシェル構造を用いることは、平板を用いたＤＭＬに比べて設計の自由度が高く、期待される性能に合わせて最適化することができる。

以上説明した実施形態によれば、シェル構造型スピーカ１０が、半円筒形状や円筒形状、ホーン形状といったシェル形状の振動板１４と、その振動板１４の端部を励振させるアクチュエータ１２とを備える。このような構成により、振動板１４の縦波の面内変形が面外変形に変換されるため、固有周波数で強い音響放射が発生し、スピーカとしての音響特性を向上させることができる。つまり、平板を用いたＤＭＬに比べてスピーカの設計自由度を向上させることができる。

一般的に、ＤＭＬには、構造パラメータが幅、高さ、厚さの３つしかないため、期待される音響性能を最適化することが困難なことや、二次元に伸びる平板を使用しているため、最大サイズが大きくなること、といった平板構造に由来する問題点があることが知られている。

これに対して、本実施形態では、振動板１４にシェル構造を採用することで、平板を用いたＤＭＬの構造上の問題点を改善した新しいタイプのＤＭＬを実現することができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

１０…シェル構造型スピーカ、１２…アクチュエータ、１４…振動板、１００…解析装置、１１０…入力部、１２０…出力部、１３０…記憶部、１４０…処理部、１４２…解析部、１４４…出力制御部

Claims (9)

1. シェル形状の振動板と、
   前記振動板の端部を励振させるアクチュエータと、
   を備えるスピーカ。
2. 前記振動板は、厚み方向に直交する方向に関して軸対称なシェル形状である、
   請求項１に記載のスピーカ。
3. 前記振動板は、円筒形状である、
   請求項２に記載のスピーカ。
4. 前記振動板は、ホーン形状である、
   請求項２に記載のスピーカ。
5. 前記シェル形状は、ある平面における一方の軸をｘとし、他方の軸をｙとし、前記振動板のｘ軸における曲率半径をＲｘとし、前記振動板のｙ軸における曲率半径をＲｙとした場合、ｘ／Ｒｘ及びｙ／Ｒｙが１よりも小さい条件を満たす形状である、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載のスピーカ。
6. 情報を出力する出力部と、
   シェル形状のスピーカの振動板に対して音響振動解析を行い、前記スピーカの音響特性を解析する解析部と、
   前記解析部による解析結果を前記出力部に出力させる出力制御部と、
   を備える解析装置。
7. 前記解析部は、少なくとも有限要素法を用いて、ある周波数帯における前記振動板の速度分布を算出し、前記算出した速度分布に基づいて、前記振動板から放射される音の強さの程度を表す指標値を、前記周波数帯における前記スピーカの音響特性として算出する、
   請求項６に記載の解析装置。
8. 前記解析部は、
   前記振動板の曲率が大きいほど、より大きな前記指標値を算出し、
   前記指標値が大きいほど、前記スピーカの音響特性を高く評価する、
   請求項７に記載の解析装置。
9. 情報を出力する出力部を備えるコンピュータが、
   シェル形状のスピーカの振動板に対して音響振動解析を行い、前記スピーカの音響特性を解析し、
   前記振動板の音響及び振動の解析結果を前記出力部に出力させる、
   解析方法。

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