JP2022112172A - スピーカおよびスピーカの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】後方波の優れた減衰を可能にするスピーカおよびスピーカの製造方法を提供する。【解決手段】スピーカは、コーン３へ可撓性サスペンション５により接続されるボイスコイル１を含むスピーカドライバと、スピーカドライバの周りに組み立てられてコーン３の後側を囲むエンクロージャとを備える。エンクロージャが備える１つまたは複数の多孔質壁における細孔の露出面に、１つまたは複数のテクスチャが適用される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スピーカおよびスピーカの製造方法に関する。

米国特許第１８１２３８９号明細書は、電波に対応する音波を生成するための、かつ複合波を忠実に再生することができる、一般にスピーカとして知られる（また、ラウドスピーカとしても知られかつラウドスピーカと同義で使用される）デバイスを開示している。スピーカでは、永久磁石が入力信号に従って電気機械力を発生させる結果、ボイスコイルと、ボイスコイルへ接続される音響生成用コーンの動力学的運動が生じる。コーンにより前方および後方へ発生される音は、ダイアフラムの反対の動きによって発生され、かつ異なる経路を進んで聴取者の場所に収束することから、互いに位相がずれている。

後方波を減衰させるスピーカエンクロージャについては、記述がある。英国公開特許第２３９１７３９号明細書は、例えば、複数の長さの複数の導管を開示していて、各導管は、前記少なくとも１つのスピーカにより発生される後方波の一部を受け入れるように前記スピーカの後面と連動するための第１の端を有し、前記複数の導管は、前記少なくとも１つのスピーカにより発生される後方波のほとんど全てを受け入れるように配置されていて、前記各導管は、後方波の前記一部を干渉チャンバ内で干渉するように方向付けるために前記干渉チャンバへ接続される第２の端を有する。

とは言え、従来技術によるスピーカエンクロージャには、一部の聴取者の好みに合うほどまでには後方波を減衰させることができない、などの限界がある。

上述の状況に鑑みて、本発明の態様は、後方波の優れた減衰を可能にするスピーカおよびスピーカの製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、スピーカドライバと、スピーカドライバを囲むエンクロージャとを備えるスピーカが提供されていて、前記エンクロージャは、エンクロージャの１つまたは複数の多孔質壁を備え、前記１つまたは複数の多孔質壁における細孔の露出面に、１つまたは複数のテクスチャが適用される。

本発明の別の態様によれば、スピーカの製造方法が提供されていて、本方法は、１つまたは複数の多孔質壁における細孔の露出面に１つまたは複数のテクスチャが適用されている１つまたは複数の多孔質壁を製造することと、前記１つまたは複数の多孔質壁を備えるエンクロージャを構築することと、１つまたは複数のスピーカドライバを挿入すること、を含む。

本発明の別の態様によれば、コンピュータ実装方法が提供されていて、本方法は、標的パフォーマンスを、スピーカドライバの特性および好ましいスピーカオーディオ応答の関数として計算することと、１つまたは複数の多孔質壁に関連する１つまたは複数のパラメータを入力することと、１つまたは複数のテクスチャに関連する１つまたは複数のパラメータを入力することと、１つまたは複数のテクスチャが適用される１つまたは複数の多孔質壁の仕様を計算することと、１つまたは複数のテクスチャが適用される１つまたは複数の多孔質壁をコンピュータ支援設計フォーマットでレンダリングすること、を含む。

図１は、従来の先行技術スピーカを示す。 図２は、図１における従来の先行技術スピーカの短所を示す図である。 図３は、複数のテクスチャで覆われた多孔質壁を備えるエンクロージャを有するスピーカを示す。 図４Ａは、本発明の実施形態における、スピーカエンクロージャの壁を形成する多孔質壁を示す断面図である。 図４Ｂは、多孔質壁の三次元ビューを示す。 図５Ａは、多孔質壁の表面へ適用されることが可能な第１のテクスチャを示す断面図である。 図５Ｂは、多孔質壁へ適用された第１のテクスチャの三次元ビューを示す。 図６Ａは、第１のテクスチャの表面へ適用されることが可能な連続するより微細なテクスチャを示す断面図である。 図６Ｂは、多孔質壁へ適用された連続するより微細なテクスチャの三次元ビューを示す。 図７Ａは、複数のテクスチャで覆われた多孔質壁を示す断面図である。 図７Ｂは、複数のテクスチャで覆われた多孔質壁の三次元ビューを示す。 図８は、実施形態を生産するために使用されることが可能な製造プロセスの全体的なフローチャートを示す。 図９は、実施形態に見出されるスピーカエンクロージャの多孔質壁の特性を計算するために使用されることが可能なアルゴリズムを示す。

本発明を例示する実施形態について、添付の図面を参照して説明する。同じ記号で示される構成要素は、個々の図において同じ、または類似の構成を有することに留意されたい。

本明細書で使用する多孔質とは、エンクロージャの表面が、空気が通り抜け得る細隙を有することを意味する。

本明細書で使用するテクスチャは、表面の変化であって、規則的なパターンまたは不規則なパターンで発生する可能性がある。

本明細書で使用する、ボイスコイルと交換可能式に使用されるコイルとは、ボイスコイルを流れる電流を意味し、磁場が生成される。

本明細書で使用するコーンとは、ダイアフラムであって、ダイアフラムと交換可能式に使用される。コーンは、元の入力信号に対応する音圧波を再生する。

本明細書で使用するサスペンションとは、振動力に対するコーンのコンプライアンスを決定するコーンの周囲状況である。

本明細書で使用するスピーカドライバは、少なくともボイスコイルと、コーンと、サスペンションとを備える。

本明細書で使用するエンクロージャは、位相のずれた音響エネルギーを入れておくためにコーンの裏側を取り囲む。

本明細書で使用する壁とは、エンクロージャ内の空間の内側の表面である。壁は、直線であることも、任意形状の曲線であることもあり、かつ任意の厚さを有し得る。

本発明は、概して、スピーカエンクロージャに関し、より具体的には、本発明は、後方波を減衰させるスピーカエンクロージャに関する。

図１は、従来技術のスピーカを示している。ボイスコイル１は、コーン３へ接続され、コーン３は、可撓性サスペンション５を介してエンクロージャ７の壁へ付着されている。ボイスコイルに電気信号が印加されると、ボイスコイルに電流が流れて磁場が生成され、ボイスコイルが可変電磁石になる。ボイスコイル１は、ボイスコイル１およびコーン３をタンデム式に前後移動させる機械力を生成する。コーン３の背面は、エンクロージャ７内に密閉されている。音波は、コーン３の両面から様々な方向へ伝播する。

図１のエンクロージャ壁７の主な役割は、コーン３の後向きの表面によって生成される音波と、コーン３の前向きの表面によって生成される音波との相互作用を防止することにある。前方および後方に発生される音は、互いに位相がずれていることから、聴取空間におけるこれら２者間の相互作用はいずれも、意図される音響信号に望ましくない歪みを生じさせる。スピーカが、コーンの表から発する電波およびコーンの裏から発する電波が辿る経路をある程度変えてかなり差のあるポイントへと至らせるエンクロージャに収容されると、前方波と後方波とがさらに分離され、音が聴き取れる。

コーンの後向きの表面によって生成される音波の一部分は、エンクロージャの壁によって吸収される。吸音率は、実際の材料に吸収される音の強さの、入射音の強さに対する比率であって、
α＝Ｉａ／Ｉｉ
で表すことができる。ここで、
α＝吸音率、
Ｉａ＝吸収される音の強さ（Ｗ／ｍ２）、
Ｉｉ＝入射音の強さ（Ｗ／ｍ２）、である。
所望される音の強さＩｄを得るために必要な吸音率の最小値α ｍｉｎは、
αｍｉｎ＝１－Ｉｄ／Ｉｉ
である。吸収されない音は、スピーカ出力の品質を低下させ、よって、αｍｉｎは、スピーカを設計する際の重要なパラメータである。

図２は、図１における従来の先行技術スピーカの短所を示す図である。エンクロージャの壁７は、前面内に密閉されたコーン３（ボイスコイル１に接続されている）および立方体の他の面上の中実の壁と共に立方体を形成し得る。平坦な壁７の場合、音波２５は、壁上で直に反射され、吸収も相殺も生じない。入射音波２５は、音波２７として反射され、コーン３の前面から放出される音波とは位相がずれる。これにより、信号自体にその遅延バージョンが加わって、建設的および相殺的干渉が生じ、かつ聴取者のエクスペリエンスの品質が低下する。聴取者は、周波数間で音量にさほど変動がないスピーカを、より品質が高いと判断する。

図３は、スピーカドライバと、複数のテクスチャで覆われた多孔質壁を備える周囲のエンクロージャとを示す。スピーカドライバのコンポーネントには、コーン３へ可撓性サスペンション５により接続されるボイスコイル１が含まれていなければならないが、様々な付属構造物も含まれることが可能である。多孔質壁３７、細孔３５および適用された複数のテクスチャ６１は、スピーカドライバの周りに組み立てられてコーン３の後側を取り囲む。

コーン３の後側から発する音波は、適用された複数のテクスチャ６１の影響により、多孔質壁３７内に含まれる細孔３５内に吸収されることが可能である。これらの構造において、広範な周波数の音波は、効果的に吸収されることが可能である。したがって、音波は、反射してスピーカに戻らず、よって、信号自体にその遅延バージョンが加わることがない。建設的および相殺的干渉は、回避される。

図４Ａは、本発明の実施形態における、スピーカエンクロージャの壁を形成する多孔質壁３７を示す断面図である。音波３１および３３は、跳ね返って細孔３５内に拡散し、かつ自己相殺するか、細孔３５内に吸収される。ラビリンスの音波波長に対する大きさに起因して、約６０～２５０Ｈｚである低周波数の可聴音波は、主としてこの構造によって相殺される。

図４Ｂは、多孔質壁の２つの三次元ビューを示す。壁３７は、細孔３５内のオープンスペースを囲んでいる。実施形態において、多孔質壁は、様々な三次元構造を有することが可能である。多孔質壁の全体形状、体積および厚さは、実施形態で異なり得る。

実施形態において、細孔は、様々な形状であり得る。細孔構造の形状および寸法は、ランダムさおよび変動性を加えるためにカスタムスカラー場を用いて数学的に変更されることが可能である。ランダムさおよび変動性が加わった構造体の複雑さは、音波が増幅される領域が存在しないことを保証する。これらの構造体のサイズは、エンクロージャの全体サイズに依存して変わり得る。形状の多孔度および密度は、エンクロージャ内の容積が一実施形態の所望されるパフォーマンスを定義するパラメータセットに従って最適化されるように、調整されることが可能である。

ＴＰＭＳ（三重周期極小曲面）は、最小面積の表面で連続的な多孔質壁を作ることに効率的であることが明らかにされている。任意の所与の境界間の最小面積の表面は、３次元で繰り返し現れるという意味で三重周期的である。三重周期極小曲面は、多くが知られている。例えば、実施形態によっては細孔の幾何学的形状に使用され得るシュワルツＰ曲面は、ｃｏｓ（ｘ）＋ｃｏｓ（ｙ）＋ｃｏｓ（ｚ）＝０として概算されることが可能である。

図５Ａは、多孔質壁３７の表面へ適用されることが可能な第１のテクスチャ４１を示す断面図である。音波は、さらに跳ね返って、テクスチャ４１が壁３７に適用されている細孔３５内に拡散される。約２５０～５００Ｈｚの周波数を有する音波は、主としてこの構造によって相殺される。実施形態において、第１のテクスチャは、規則的に繰り返されるユニットからユニットへ測定した場合で約２～３ｍｍの寸法を有し得る。しかしながら、サイズは、エンクロージャのタイプに依存して大幅に変わる可能性がある。

図５Ｂは、第１のテクスチャ４１の三次元ビューを示す。テクスチャ４１が適用される壁３７は、細孔３５内のオープンスペースを囲んでいる。テクスチャ４１は、壁３７の如何なる曲率にも沿って、壁３７の全ての表面へ適用される。

テクスチャは、幾つかのジェネレーティブデザイン技術を用いてモデル化される。テクスチャの形状は、ユーザの視覚的選好および吸音要件に依存して変わり得る。第１のテクスチャセットは、より大きい壁の上部に加えられ得る極細の多孔質壁で置き換えられることも可能である。効率的なテクスチャ形状のうちの１つは、ベース面の微細な三次元正弦波的変動である。

図６Ａは、細孔３５内のオープンスペースに隣接して多孔質壁３７へ適用されている、連続的により微細なテクスチャ５１を示す断面図である。連続的により微細なテクスチャの標的は、周波数が漸増する可聴音スペクトルである。実施形態において、より微細なテクスチャの寸法は、０．１～２ｍｍの範囲であり得る。約５００～２０００Ｈｚの周波数を有する音波は、主としてこの構造により相殺される。

図６Ｂは、連続的により微細なテクスチャ５１の三次元ビューを示す。連続的により微細なテクスチャ５１が適用される壁３７は、細孔３５内のオープンスペースを囲んでいる。テクスチャ５１は、壁３７の如何なる曲率にも沿って、壁３７の全ての表面へ適用される。

図７Ａは、複数のテクスチャ６１の組合せで覆われた多孔質壁３７を示す断面図である。組み合わされたテクスチャ６１は、細孔３５内のオープンスペースに隣接する多孔質壁３７へ適用されている。組み合わされたテクスチャ６１の適用は、スペース内の任意の特定場所に関して疑似ランダムである。どのポイントにおいても、正確なトポロジは、疑似ランダムである。

組み合わされることに加えて、テクスチャは、疑似ランダムオブジェクトから生成される数学的場を用いて、そのサイズおよび周期性を空間的に変更することができる。空間的変更は、最適化アルゴリズムを介して、最大ランダム性および最も広い範囲の構造周期性を有するように微調整されることが可能である。逆説的に言えば、ランダムさの度合いが高いほど、音の減衰に関してより予測可能な結果が得られる。多孔質壁全体に渡って、トポロジは、どの音波が相殺されるかに関して最終的に予測可能な結果を得る。テクスチャは、パラメータセットに従って計算され、かつ繰り返し最適化される。

図７Ｂは、複数のテクスチャ６１の組合せで覆われた多孔質壁３７を示す三次元ビューである。多孔質壁３７の表面に渡って、任意の特定のポイントにおける異なるテクスチャ間に連続的なモーフィングが存在する。２つ以上のテクスチャを混合すると、より小さいスペース内に音を閉じ込めるより微細な構造が現れる。約２０００～２００００Ｈｚの周波数を有する音波は、主としてこの構造によって相殺される。

壁に沿った各ポイントは、特定の周波数範囲を標的とし、よって、音波は、構造物を介して進むにつれて、可聴スペクトル内の各周波数を標的とするポイントに遭遇する。音波が多孔質材料を介して複雑な経路を進むにつれて、音波は、材料と接触してより多くの時間を費やし、かなりの程度減衰される。したがって、この構造内では、音響スペクトルのかなりの部分が除去（キャンセル）され得、よって音がソースへ戻ることが防止される。

図８は、実施形態を生産するために使用されることが可能な製造プロセスの全体的なフローチャートを示す。

まず、ステップ８１において、テクスチャが適用される多孔質壁の設計が「スライサ」によって処理される。例えば、本設計は、例えばステレオリソグラフィ・ファイル・フォーマット（ＳＴＬ）または付加製造ファイルフォーマット（ＡＭＦ）で保存されるＣＡＤモデルである可能性もある。ＳＴＬまたはＡＭＦファイルは、「スライサ」によって読み取られることが可能であり、スライサは、一連の薄層を出力する。実施形態の製造に使用可能なスライサの一例は、ＰｒｕｓａＳｌｉｃｅｒである。

第２に、ステップ８３において、一連の薄層は、これらの薄層の定義からコンポーネントを付加的に製造することができる、溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）デバイスとして知られる、また溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）デバイスとしても知られる製造デバイスへ移送されることが可能である。このプロセスにおいて、フィラメントは、スプールから高温の押出機ヘッドを介して供給されることが可能であって、製造品へ付加され、付加される毎に製造品のサイズが増す。押出機ヘッドは、製品の設計に従ってコンピュータ制御下で動くことができる。テクスチャが適用された多孔質壁は、このプロセスで製造されることが可能である。

第３に、ステップ８５において、テクスチャが適用された多孔質壁が、スピーカアッセンブリ内の他のコンポーネントと接合される。エンクロージャのタイプに依存して、多孔質壁がねじ＋シールアッセンブリで前面の透明プレートにねじ止めされる場合もあれば、ラウドスピーカドライバが前壁へ直にねじ止めされる。透明なフロントプレートは、任意選択であって、より良い視覚的イメージを提供し得るが、この利点は、オーディオパフォーマンスの低下によって相殺されることがある。ラウドスピーカケーブルは、スピーカ端子へ直にはんだ付けされることが可能である。

第４に、ステップ８７において、スピーカの品質が試験される。テストには、無響室におけるスピーカ周波数応答の測定が含まれ得る。このプロセスでは、オーディオ品質を低下させると思われる大きい共振周波数ピークが残っているかどうかが判定される。試験では、多孔質壁の吸収係数を評価することができる。一方のスピーカおよびマイクを備えたテストベンチは、あらゆる周波数について、吸収前の音の強さおよび吸収後の音の強さを測定するために使用可能である。初期反射も、測定される。

図９は、実施形態に見出されるスピーカエンクロージャの多孔質壁の設計を計算するために使用されることが可能なコンピュータ実装プロセスを示す。

まず、ステップ９１において、標的パフォーマンスのセットが、スピーカで再生されるべき音の品質にとって最も重要な周波数に従って計算される。標的パフォーマンスは、再生されるべき音の特性（例えば、音楽のタイプ）に依存する。例えば、ジャズ音楽および電子音楽は、異なるタイプのスピーカパフォーマンスを必要とする。標的パフォーマンスがどのように定義されるかに依存して、計算は、高度にカスタマイズされた多孔質壁およびテクスチャの製造を可能にする。

第２に、ステップ９３において、多孔質壁に関連する１つまたは複数のパラメータが入力される。入力は、ユーザによって直に、またはＡＰＩを介して行われる可能性もあり、かつ入力は、計算された標的パフォーマンスに依存する。

第３に、ステップ９５において、テクスチャに関連する１つまたは複数のパラメータが入力される。入力は、ユーザによって直に、またはＡＰＩを介して行われる可能性もあり、かつ入力は、計算された標的パフォーマンス、ならびにテクスチャが適用される多孔質壁に関連するパラメータに依存する。

第４に、ステップ９７において、多孔質壁およびテクスチャの仕様が計算される。多孔質壁およびテクスチャの吸音特性は、スピーカの所望されるパフォーマンスに合わせて調製される。

第５に、ステップ９９において、テクスチャが適用される多孔質壁の設計が、コンピュータ支援設計フォーマットでレンダリングされ、これは、図８に記述しているスピーカの製造プロセスにおいてさらに処理されることが可能である。

実施形態では、多孔質壁の構築において様々な材料、例えば熱可塑性フィラメント材料を使用することができ、それらの特性は変化する。

実施形態では、ポリ乳酸フィラメントまたはポリエチレンテレフタレートグリコールフィラメントを使用することができ、よってアプリケーションによっては、許容可能なコストおよび機械的パフォーマンスを得ることができる。ポリカーボネートまたはポリカーボネートとアクリロニトリルブタジエンスチレンとのブレンドなどの高性能かつ希少な材料は、他のアプリケーションにおいて、美的品質および機械的パフォーマンスを向上させるために使用されることが可能である。エラストマなどの可撓性フィラメントも、材料固有の吸収に使用されることが可能である。

実施形態において、エンクロージャの共振は、非平坦の壁を有することによって防止されることが可能である。多孔質壁の疑似ランダム曲面は、あらゆる共振の発生を防止することができる。定常音波は、発生を防止されることが可能である。

これまでに述べた実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明の解釈の限定を意図するものではない。実施形態の個々のエレメントおよびそれらの配置、材料、条件、形状、サイズまたはこれらに類似するものは、説明した例に限定されず、適宜変更され得る。さらに、実施形態に記載の構成要素は、部分的に置換されても、互いに組み合わされてもよい。

Claims (17)

1. スピーカドライバと、
   前記スピーカドライバを囲むエンクロージャと、を備え、
   前記エンクロージャは、１つまたは複数の多孔質壁を備え、前記１つまたは複数の多孔質壁内の細孔の露出面に、１つまたは複数のテクスチャが適用される、
   スピーカ。
2. 前記細孔の前記露出面には、少なくとも２つのテクスチャが、異なるテクスチャ間にモーフィングが連続する疑似ランダム構造で適用される、請求項１に記載のスピーカ。
3. １つまたは複数の追加のスピーカドライバが同じエンクロージャ内に封入される、請求項１または請求項２に記載のスピーカ。
4. １つまたは複数の追加のスピーカドライバが隣接するエンクロージャ内に封入される、請求項１～３のいずれかに記載のスピーカ。
5. 前記エンクロージャ内に懸垂される発泡体をさらに含む、請求項１～４のいずれかに記載のスピーカ。
6. 透明なフロントプレートをさらに備える、請求項１～５のいずれかに記載のスピーカ。
7. 木製の外部エンクロージャをさらに備える、請求項１～６のいずれかに記載のスピーカ。
8. ポリマー製外部エンクロージャをさらに備える、請求項１～７のいずれかに記載のスピーカ。
9. スピーカを製造する方法であって、
   １つまたは複数の多孔質壁を、前記１つまたは複数の多孔質壁内の細孔の露出面に１つまたは複数のテクスチャを適用して製造することと、
   前記１つまたは複数の多孔質壁を備えるエンクロージャを構築することと、
   １つまたは複数のスピーカドライバを挿入すること、を含む方法。
10. 前記エンクロージャ内に発泡体を加えることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 透明なフロントプレートを加えることをさらに含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。
12. 前記１つまたは複数の多孔質壁を少なくとも２つの部分で製造し、前記少なくとも２つの部分を順次組み立てることをさらに含む、請求項９～１１のいずれかに記載の方法。
13. さらに、
    前記スピーカの周波数応答を無響室内で測定することと、
    一方にスピーカおよび他方にマイクを備えたテストベンチを用いて、あらゆる周波数について、吸収前の音の強さおよび吸収後の音の強さを測定すること、を含む、請求項９～１２のいずれかに記載の方法。
14. コンピュータ実装方法であって、
    標的パフォーマンスをスピーカドライバの特性および好ましいスピーカオーディオ応答の関数として計算することと、
    １つまたは複数の多孔質壁に関連する１つまたは複数のパラメータを入力することと、
    １つまたは複数のテクスチャに関連する１つまたは複数のパラメータを入力することと、
    前記１つまたは複数のテクスチャが適用される１つまたは複数の多孔質壁の仕様を計算することと、
    コンピュータ支援設計フォーマットで、前記１つまたは複数のテクスチャが適用される前記１つまたは複数の多孔質壁をレンダリングすること、を含むコンピュータ実装方法。
15. 前記１つまたは複数のテクスチャが適用される前記１つまたは複数の多孔質壁の仕様の前記計算は、アプリケーション・プログラミング・インタフェースによって接続される少なくとも２つのプログラムによって実行される、請求項１４に記載の方法。
16. 同じエンクロージャ内に取り付けられるべき２つ以上のスピーカドライバの組み合わされた標的パフォーマンスが計算される、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
17. 異なるエンクロージャ内に取り付けられるべき２つ以上のスピーカドライバの組み合わされた標的パフォーマンスが計算される、請求項１４～請求項１６のいずれかに記載の方法。

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