JP3644259B2 - スピーカ装置 - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はスピーカ装置に関し、特にたとえば、音楽再生用として使用されるスピーカ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音楽再生用のスピーカ装置としては、たとえばボイスコイルとマグネットを用いて、紙などをコーン状に形成した振動体を振動させるダイナミック型スピーカがある。また、電荷を用いて音を発生するコンデンサスピーカなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのスピーカの共振周波数は４０〜２００Ｈｚ程度であり、人間の可聴範囲の上限と言われている約２０ｋＨｚよりかなり低いため、音楽を再生するときなどには、共振周波数以上の周波数の音を再生していることになる。駆動系を含む振動体の動きは、共振周波数において最も良好であり、共振周波数より高い信号が入力されると、入力信号に対して振動体の動きが遅れるという欠点がある。そのため、高音域の再生が忠実に行われないということになる。たとえば、太鼓の音を聞く場合、実際に聞いているときには、撥が太鼓の振動膜に当たる音が聞こえたのち、振動膜が振動して発生する太鼓の音が聞こえてくる。しかしながら、従来のスピーカで再生すると、撥が振動膜に当たるときのかすかな音が再生されず、太鼓の音のみが聞こえる。これは、撥が振動膜に当たるときの周波数の高い信号が入力されても、それに対する振動体の応答性が悪いため、そのような音が再生されないうちに、その後に入力された周波数の低い太鼓の音を再生してしまうためであると考えられる。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、高音域の音も正確に再生することができるスピーカ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、入力信号によって振動する振動体を含み、振動体の振動により音を発生する発音振動子と、発音振動子に入力信号を印加する信号入力手段とを備えるスピーカ装置であって、発音振動子の共振周波数を入力信号の周波数に対し高くし、入力信号を前記発音振動子の共振周波数より低い周波数とし、入力信号によってのみ発音振動子が振動してなる、スピーカ装置である。
【０００７】
発音振動子の共振周波数を入力信号の周波数に対し高くすることにより、共振周波数以下の入力信号に対する振動体の振動の遅れが小さくなる。特に、人間の可聴範囲の上限である約２０ｋＨｚ以上の共振周波数となるように発音振動子を設定しておけば、人間が聞くことのできる音の全てを正確に再生することができる。
【０００８】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のスピーカ装置の一例を示す図解図である。スピーカ装置１０は、発音振動子１２を含む。発音振動子１２は、図２および図３に示すように、たとえば半球状の振動体１４を含む。振動体１４は、たとえば圧電セラミックスで形成される。振動体１４の両面には、それぞれ全面に電極１６および電極１８が形成される。そして、振動体１４は、厚み方向に分極される。さらに、スピーカ装置１０は、圧電振動子１２に信号を与えるための信号入力手段として、たとえばアンプ２０を含む。アンプ２０からは、２つの電極１６，１８間に入力信号が入力される。
【００１０】
このスピーカ装置１０では、振動体１４の両面の電極１６，１８間に入力信号を入力することにより、振動体１４が振動し、それによって音を発生させることができる。このような半球状の発音振動子１２の共振周波数ｆ0 は、次に示すような近似式で求められる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
この近似式において、ａは振動体１４の半径であり、Ｅは振動体１４のヤング率であり、ρは振動体１４の密度であり、σはポアソン比である。たとえば、圧電セラミックスで半球状の振動体１４を形成する場合、半径ａ＝４ｃｍで人間の可聴範囲の上限である２０ｋＨｚ以上となる２５ｋＨｚの共振周波数を有する発音振動子１２を得ることができる。共振周波数以下の周波数を有する入力信号に対しては、振動体１４の振動の応答性は良好であるため、この発音振動子１２を用いることにより、人間が聞くことができる音の全てを正確に再生することができる。
【００１３】
スピーカ装置の応答性について、共振周波数ｆ0 ＝２５ｋＨｚの本願発明のスピーカ装置と共振周波数ｆ0 ＝１００Ｈｚの従来のダイナミック型のスピーカ装置とを比較し、そのシミュレーションの結果を図４に示した。図４においては、Ｑ＝０．７０７一定で、パルス幅１０ｍＳのインパルスを入力したときの各スピーカ装置の振動体の応答性が示されている。その結果、ｆ0 ＝１００Ｈｚのスピーカ装置では、インパルスに対して振動体の変位が遅れるのに対して、ｆ0 ＝２５ｋＨｚのスピーカ装置では、振動体の変位はインパルスの入力とほぼ同じ変位が得られた。なお、図４においては、入力されたインパルスの波形とｆ0 ＝２５ｋＨｚのスピーカ装置の変位波形とが重なっているため、２つの波形しか示されていない。この結果より、ｆ0 ＝１００Ｈｚの従来のスピーカ装置に比べて、ｆ0 ＝２５ｋＨｚの本願発明のスピーカ装置のほうが、応答性が良好であることがわかる。
【００１４】
また、前記近似式からわかるように、発音振動子１２の共振周波数ｆは、振動体１４の厚みにほとんど影響されないため、ある範囲内で振動体１４の厚みを厚くすることにより、発音振動子１２の質量を大きくすることができる。ここで、本実施の形態で説明している半径４ｃｍの半球状圧電セラミックスで振動体１４を形成したスピーカ装置１０において、振動体１４の厚みおよび質量と発音振動子１２の共振周波数との関係を表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】
音はエネルギーであると考えられることから、発音振動子１２の質量が大きくなると、同じ音響エネルギーを得るには、振動体１４の振幅は小さくなり、発生する音の音圧を低くすることができる。したがって、大きな音を再生しても、その音圧は大きくならず、人間の身体に与える影響を小さくすることができ、快適な音を得ることができる。
【００１７】
また、音圧による部屋の定在波や呼吸および室内に存在する物の振動などを抑えることができ、快適な音を得ることができる。さらに、振動体１４の質量を大きくすることにより、外圧により振動体１４の振動が阻害されるといった外的影響が小さくなり、音響特性の劣化を抑えることができる。
【００１８】
なお、このように、振動体１４の質量を変化させても発音振動子１２の共振周波数が変化せず、上述のような作用効果を得るスピーカ装置としては、振動体１４の形状を必ずしも半球状とする必要はなく、球状や球の一部の形状であってもよい。さらに、圧電振動子１２としては、図５に示すように、圧電体で形成された円板状の振動体１４の両面に電極１６，１８を形成したものでもよい。この場合も、振動体１４の厚みを厚くして質量を大きくすることにより、上述のような効果を得ることができる。
【００１９】
また、振動体１４の材質としては、圧電セラミックスのような密度が大きい材質を用いて構成することにより、上述の作用効果の達成がより容易となるとともに、圧電セラミックスは電気信号を入力するだけで自らが励振する材質であることから、振動体１４を振動させるための他の機械的駆動手段を必要とせず、スピーカ装置の構成も簡略化される。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、発音振動子の共振周波数を高く設定することにより、入力信号に対する振動体の振動の遅れがなく、人間の可聴範囲における全ての音を正確に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のスピーカ装置の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示すスピーカ装置に用いられる発音振動子の一例を示す斜視図である。
【図３】図２に示す発音振動子の断面図である。
【図４】この発明のスピーカ装置と従来のスピーカ装置の応答性を示すグラフである。
【図５】この発明のスピーカ装置の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ スピーカ装置
１２ 発音振動子
１４ 振動体
１６ 電極
１８ 電極
２０ アンプ
【発明の属する技術分野】
この発明はスピーカ装置に関し、特にたとえば、音楽再生用として使用されるスピーカ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音楽再生用のスピーカ装置としては、たとえばボイスコイルとマグネットを用いて、紙などをコーン状に形成した振動体を振動させるダイナミック型スピーカがある。また、電荷を用いて音を発生するコンデンサスピーカなどがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのスピーカの共振周波数は４０〜２００Ｈｚ程度であり、人間の可聴範囲の上限と言われている約２０ｋＨｚよりかなり低いため、音楽を再生するときなどには、共振周波数以上の周波数の音を再生していることになる。駆動系を含む振動体の動きは、共振周波数において最も良好であり、共振周波数より高い信号が入力されると、入力信号に対して振動体の動きが遅れるという欠点がある。そのため、高音域の再生が忠実に行われないということになる。たとえば、太鼓の音を聞く場合、実際に聞いているときには、撥が太鼓の振動膜に当たる音が聞こえたのち、振動膜が振動して発生する太鼓の音が聞こえてくる。しかしながら、従来のスピーカで再生すると、撥が振動膜に当たるときのかすかな音が再生されず、太鼓の音のみが聞こえる。これは、撥が振動膜に当たるときの周波数の高い信号が入力されても、それに対する振動体の応答性が悪いため、そのような音が再生されないうちに、その後に入力された周波数の低い太鼓の音を再生してしまうためであると考えられる。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、高音域の音も正確に再生することができるスピーカ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、入力信号によって振動する振動体を含み、振動体の振動により音を発生する発音振動子と、発音振動子に入力信号を印加する信号入力手段とを備えるスピーカ装置であって、発音振動子の共振周波数を入力信号の周波数に対し高くし、入力信号を前記発音振動子の共振周波数より低い周波数とし、入力信号によってのみ発音振動子が振動してなる、スピーカ装置である。
【０００７】
発音振動子の共振周波数を入力信号の周波数に対し高くすることにより、共振周波数以下の入力信号に対する振動体の振動の遅れが小さくなる。特に、人間の可聴範囲の上限である約２０ｋＨｚ以上の共振周波数となるように発音振動子を設定しておけば、人間が聞くことのできる音の全てを正確に再生することができる。
【０００８】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のスピーカ装置の一例を示す図解図である。スピーカ装置１０は、発音振動子１２を含む。発音振動子１２は、図２および図３に示すように、たとえば半球状の振動体１４を含む。振動体１４は、たとえば圧電セラミックスで形成される。振動体１４の両面には、それぞれ全面に電極１６および電極１８が形成される。そして、振動体１４は、厚み方向に分極される。さらに、スピーカ装置１０は、圧電振動子１２に信号を与えるための信号入力手段として、たとえばアンプ２０を含む。アンプ２０からは、２つの電極１６，１８間に入力信号が入力される。
【００１０】
このスピーカ装置１０では、振動体１４の両面の電極１６，１８間に入力信号を入力することにより、振動体１４が振動し、それによって音を発生させることができる。このような半球状の発音振動子１２の共振周波数ｆ0 は、次に示すような近似式で求められる。
【００１１】
【数１】
この近似式において、ａは振動体１４の半径であり、Ｅは振動体１４のヤング率であり、ρは振動体１４の密度であり、σはポアソン比である。たとえば、圧電セラミックスで半球状の振動体１４を形成する場合、半径ａ＝４ｃｍで人間の可聴範囲の上限である２０ｋＨｚ以上となる２５ｋＨｚの共振周波数を有する発音振動子１２を得ることができる。共振周波数以下の周波数を有する入力信号に対しては、振動体１４の振動の応答性は良好であるため、この発音振動子１２を用いることにより、人間が聞くことができる音の全てを正確に再生することができる。
【００１３】
スピーカ装置の応答性について、共振周波数ｆ0 ＝２５ｋＨｚの本願発明のスピーカ装置と共振周波数ｆ0 ＝１００Ｈｚの従来のダイナミック型のスピーカ装置とを比較し、そのシミュレーションの結果を図４に示した。図４においては、Ｑ＝０．７０７一定で、パルス幅１０ｍＳのインパルスを入力したときの各スピーカ装置の振動体の応答性が示されている。その結果、ｆ0 ＝１００Ｈｚのスピーカ装置では、インパルスに対して振動体の変位が遅れるのに対して、ｆ0 ＝２５ｋＨｚのスピーカ装置では、振動体の変位はインパルスの入力とほぼ同じ変位が得られた。なお、図４においては、入力されたインパルスの波形とｆ0 ＝２５ｋＨｚのスピーカ装置の変位波形とが重なっているため、２つの波形しか示されていない。この結果より、ｆ0 ＝１００Ｈｚの従来のスピーカ装置に比べて、ｆ0 ＝２５ｋＨｚの本願発明のスピーカ装置のほうが、応答性が良好であることがわかる。
【００１４】
また、前記近似式からわかるように、発音振動子１２の共振周波数ｆは、振動体１４の厚みにほとんど影響されないため、ある範囲内で振動体１４の厚みを厚くすることにより、発音振動子１２の質量を大きくすることができる。ここで、本実施の形態で説明している半径４ｃｍの半球状圧電セラミックスで振動体１４を形成したスピーカ装置１０において、振動体１４の厚みおよび質量と発音振動子１２の共振周波数との関係を表１に示す。
【００１５】
【表１】
音はエネルギーであると考えられることから、発音振動子１２の質量が大きくなると、同じ音響エネルギーを得るには、振動体１４の振幅は小さくなり、発生する音の音圧を低くすることができる。したがって、大きな音を再生しても、その音圧は大きくならず、人間の身体に与える影響を小さくすることができ、快適な音を得ることができる。
【００１７】
また、音圧による部屋の定在波や呼吸および室内に存在する物の振動などを抑えることができ、快適な音を得ることができる。さらに、振動体１４の質量を大きくすることにより、外圧により振動体１４の振動が阻害されるといった外的影響が小さくなり、音響特性の劣化を抑えることができる。
【００１８】
なお、このように、振動体１４の質量を変化させても発音振動子１２の共振周波数が変化せず、上述のような作用効果を得るスピーカ装置としては、振動体１４の形状を必ずしも半球状とする必要はなく、球状や球の一部の形状であってもよい。さらに、圧電振動子１２としては、図５に示すように、圧電体で形成された円板状の振動体１４の両面に電極１６，１８を形成したものでもよい。この場合も、振動体１４の厚みを厚くして質量を大きくすることにより、上述のような効果を得ることができる。
【００１９】
また、振動体１４の材質としては、圧電セラミックスのような密度が大きい材質を用いて構成することにより、上述の作用効果の達成がより容易となるとともに、圧電セラミックスは電気信号を入力するだけで自らが励振する材質であることから、振動体１４を振動させるための他の機械的駆動手段を必要とせず、スピーカ装置の構成も簡略化される。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、発音振動子の共振周波数を高く設定することにより、入力信号に対する振動体の振動の遅れがなく、人間の可聴範囲における全ての音を正確に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のスピーカ装置の一例を示す図解図である。
【図２】図１に示すスピーカ装置に用いられる発音振動子の一例を示す斜視図である。
【図３】図２に示す発音振動子の断面図である。
【図４】この発明のスピーカ装置と従来のスピーカ装置の応答性を示すグラフである。
【図５】この発明のスピーカ装置の他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ スピーカ装置
１２ 発音振動子
１４ 振動体
１６ 電極
１８ 電極
２０ アンプ
Claims (1)
- 入力信号によって振動する振動体を含み、前記振動体の振動により音を発生する発音振動子と、前記発音振動子に前記入力信号を印加する信号入力手段とを備えるスピーカ装置であって、
前記発音振動子の共振周波数を前記入力信号の周波数に対し高くし、
前記入力信号を前記発音振動子の共振周波数より低い周波数とし、
前記入力信号によってのみ前記発音振動子が振動してなる、スピーカ装置。
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| JP9670898 | 1998-03-24 | ||
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