JP4095550B2 - 境界層分離を低減するスピーカーポートシステム - Google Patents

Description

（発明の背景）
（関連出願）
本出願は、２００１年６月２５日に出願された「Ｆｌａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｌａｙｅｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ」と称する米国仮特許出願第６０／３００，６４０号に基づく。この仮特許出願の出願日の利点は、本出願に対して主張される。

（技術分野）
本発明は、一般的に、オーディオシステムに利用されるラウドスピーカーに関する。より詳細には、本発明は、境界層分離を低減するコンター（輪郭）を有するスピーカーポートに関する。

（関連技術）
スピーカーエンクロージャには多くのタイプがある。各エンクロージャタイプは、スピーカーから発生する音の様子に影響を与え得る。典型的には、スピーカーエンクロージャ内にドライバが平面的に（ｆｌｕｓｈｅｄ）マウントされる。ドライバは、通常、コーンの前で音波を放射するために振動するダイアフラムを有する。ダイアフラムは前後に動くので、後方の波は同様にコーンの後ろで生成される。異なるエンクロージャのタイプは、異なる方法でこれらの「後方の」波を制御する。

多くのスピーカーは、コーンから発生する前方の音波を補うために、これらの後方の波の利点を利用する。図１および２は、後方の波の利点を利用するバスリフレックスエンクロージャを示す。エンクロージャは、小さいポートを有する。ダイアフラムの後方への動きは、スピーカーエンクロージャ内の空気のバネおよびポート内に含まれる質量から発生する共振を励起させる。ポートの長さおよび面積は、一般的にこの共振周波数をチューニングするようにサイズ合わせされる。ポートおよびスピーカー共振は、コーンの動きがゼロ近くまで低下するので非常に効果的であり、それにより、他の場合はコーンの可動域により制限されるシステムの帯域および最大出力を非常に増強する。

多くのスピーカーエンクロージャでは、ポートを通過する音波は、境界層分離のために雑音を発生させる。ポートの断面積の急激な拡張および不連続性は、ポートからの音波の境界層分離を発生させる。境界層分離は、ポートの長軸に沿った過剰な拡張が存在する場合に発生する。流体の拡張は、ポートの壁または輪郭の近くに過剰なモーメント損失を発生させ、それにより、その流れが分断し、ポートの壁から分離する。

境界層分離を最小化するために、多くのポート設計は、ポートの反対側にノズルの形状のフレアを利用して、滑らかな推移を提供する。多くの場合、「最良」のモノが見つかるまで異なるフレアが試される。多くのフレア設計では、境界層分離が、有害な圧力勾配が大きくなるポートの長軸に沿った点で発生するので、ポートの性能は、貧弱になり得る。圧力勾配および圧力変化は、音波または流体のモーメントが壁または輪郭に対する音波を支えるための圧力よりも多きくなるために十分な大きさになり得る。この場合、音波は、壁から分離され、それにより、雑音と損失とが発生する。最大圧力勾配がポートに沿って発生する点は、分離が発生する前にポートからの流速を制限する。一旦、音波または流れがポートの輪郭または壁から最大圧力勾配の点で分離されると、流れの損失は、劇的に増加し、ポートの貧弱な性能を生じさせる。

（要旨）
本発明は、境界層分離を低減または最小化する実質的に一定の圧力勾配を有するスピーカーポートを提供する。実質的に一定の圧力勾配によって、より高い圧力勾配が生じて音波の速度を制限する点は、スピーカーポートには基本的には存在しない。

スピーカーポートは、実質的に一定の圧力勾配を有するフレアを含む。スピーカーポートの境界層分離を低減する１つの方法では、フレアの内部壁は、実質的に一定の圧力勾配を有するように構成される。

本発明の他のシステム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明を調査すると、当業者に明らかになる。全てのそのようなさらなるシステム、方法、特徴および利点は、この説明の中に含まれ、以下の特許請求の範囲により保護される。

本発明は、以下の図面を参照することにより、よりよく理解され得る。図面のコンポーネントは、本発明の原理を示す際に、必ずしも縮尺され、強調される必要がない。さらに、図面では、同様の参照符号は、異なる図面を通して対応する部分を示す。

（好ましい実施形態の説明）
図３〜５は、ラウドスピーカーポート２００の側面および断面図を示す。ポート２００は、凹みの核２０８を形成する２つのフレア２０４と２０６との間の円柱２０２を有する。ポート２００は、基本的に凹み核２０８を介して基本的に円形断面積を有する。ポート２００は、基本的に楕円形断面を有する凹み核２０８を介して他の断面積を有し得る。ポート２００は、非円形であってもよいし、かつ、真っ直ぐでも歪曲していてもよいし、または１つ以上の歪曲部を有していてもよい。ポート２００は、中心軸に沿って左右対称であってもよいし、または、非対称であってもよい。ポート２００は、他の構成および構成の組み合わせを有していてもよい。円柱２０２ならびにフレア２０４および２０６は、同一または異なる構成を有していてもよい。フレア２０４および２０６は、ポート２００を介して音波または空気の流れに対して実質的に一定の圧力勾配を提供するように、構成または形成される。実質的に一定の圧力勾配は、境界層分離を低下または最小化し、それにより、ポート２００を介して空気の流速を増加または最大化させる。フレア２０４および２０６の各々は、入口管２１２と出口管２１４との間の内側壁または輪郭２１０を有する。内部壁２１０は、入口２１２と出口管２１４との間の全長を越えて、実質的に一定の圧力勾配を提供するように形成または構成される。特定の構成が示され、かつ、議論されたが、ポート２００は、より少ないまたはさらなるコンポーネントを有するこれらを含む他の構成を有し得る。

フレア２０４と２０６の各々は、境界層分離を低減または最小化する内部壁２１０を有し、それにより、空気または音波等の流体は、境界層分離なしに、高速でフレアを介して流れ得る。内部壁２１０は、入口管２１２から出口管２１４までフレアの長軸に沿った圧力勾配および圧力変化が実質的に一定になるように、輪郭が描かれる。流体のモーメントおよび速度に基づいて、壁に沿った流れを保持する圧力よりも大きい圧力が生じた場合、境界層分離は、フレアの全長に沿って生じ得る。より高い圧力勾配が流体の速度を制限するフレアの長軸に沿った点が基本的に存在しないので、フレアの性能は改善される。性能が改良されるかまたは最適化されるように、最大または最高圧力が発生する点が変化する。フレアの全長を介した基本的に一定の圧力勾配により、流体または音波の流速を制限するフレアに沿った任意の点において、ピークまたは最大圧力勾配が存在する。

１つの局面では、円柱２０２は、基本的に一定の半径を有するポート２００の内側部分である。この局面では、フレア２０４および２０６は、可変半径を有するポート２００の外側部分である。一般的に、円柱２０２は、フレア２０４および２０６の別個または統合コンポーネントであり得る。フレア２０４がフレア２０６に直接推移するときは、円柱２０２は存在しなくてもよい。１つのフレアのみ、または、他に複数のフレアがあってもよい。フレア２０４は、基本的に、フレア２０６と同一である。しかし、フレア２０４は、フレア２０６と異なる寸法および／または異なる構成を有し得る。

図６は、スピーカーエンクロージャ（示されない）のポートに対するフレア３０４の断面図を表わす。フレア３０４は、内部壁３１０の全長を介して実質的に一定の圧力勾配を提供する。内部壁３１０は、入口管３１２と出口管３１４との間に一定の圧力勾配を実現するように形成または構成される。実質的に一定の圧力勾配により、ポートのｘ軸に沿った任意の所与の点においてフレアを通過する流体または音波の流速Ｕ（ｘ）は、境界層分離を発生させることなく増加または最大化される。圧力勾配は、一般的に、ｄｐ／ｄｘ、または、単に、距離ｘの変化分の圧力ｐの変化として定義される。

フレア３０４の長さに沿った実質的に一定の圧力勾配は、任意の点で圧力勾配の逆の影響を最小化または低減し、かつ、空気の流れのより高いかまたは最大速度が境界層分離なく発生させることができる。一定の圧力勾配を伴わないフレアは、入口管３１２から出口管３１４までより高い圧力勾配を有する１つ以上の点を有する。境界層分離は、一定圧力勾配が存在しない場合よりも比較的に低い空気の速度により、フレアに沿った高圧力勾配点で発生し得る。

フレア３０４の長さに沿った点における圧力、Ｐ_０（ｘ）からＰ_６（ｘ）は、フレアの広がりに対して変化する。距離の変化に対する圧力変化が高すぎる場合には、過度の有害な圧力勾配が発生する。壁３１０の境界に沿った圧力は、音波または空気の流れＵ（ｘ）のモーメントに勝るに十分ではない。基本的に一定の圧力勾配は、流れの分離を伴わないより高いまたは最大の空気の流速を可能にする。なぜなら、一定の圧力勾配は、音波または流れがフレア３０４を介して進行するように、フレア長の点に沿って流れを均一に拡張させる。

内部壁３１０の形状または輪郭は、円形フレアの長さに沿った実質的に一定の圧力勾配を提供し、以下のように定義または規定される。

圧力勾配ｄｘ／ｄｐは、

フレアの輪郭は、初期速度Ｕ_ｉｎ、Ａ_ｉｎ＝πｒ_ｉｎ ^２等の初期半径ｒ_ｉｎを規定する初期フレア面積Ａ_ｉｎ、所望の圧力勾配Δ＝ｄｐ／ｄｘ、流体密度ρ、および、積分定数ｃを有する式（１４）を利用して計算される。式１４は、特にフレアが円形ではない場合には、フレアの初期断面積およびほかの断面積に依存して変化し得る。

図７は、フレアの長さに沿って、所与の位置ｘインチに対して半径ｙインチを規定する輪郭のプロットを示すグラフである。圧力勾配は、２４０で一定のままである。積分定数ｃ_{ｉｎｉｔｉａｌ}は、１．３７５である。初期半径は１．３７５インチである。流体密度は、．００００４６６ｌｂ／ｉｎ^３である。図４のこれらの特定の値および関連するグラフは、例示が目的である。他の値、グラフおよび輪郭が利用され得る。圧力勾配ｄｐ／ｄｘが実質的に一定のままである限り、任意の数学的プロットを利用してポートの輪郭を決定し得る。

別の局面では、内部壁３１０の形式または輪郭は、円形フレアの長さに沿った実質的に一定の圧力勾配を提供し、以下のように定義または規定される。

フレアの輪郭は、初期速度Ｕ_ｉｎ、初期フレア面積Ａ_ｉｎ（Ａ_ｉｎ＝πｒ_ｉｎ ^２等の初期半径ｒ_ｉｎを規定する）、所望の圧力勾配Δ＝ｄｐ／ｄｘ、流体密度ρを有する式（２０）を利用して計算される。式２０は、特にフレアが円形ではない場合には、フレアの初期断面積およびほかの断面積に依存して変化し得る。

式（１４）または（２０）のどちらかにより、フレア３０４の内部壁３１０が入口管３１２と出口管３１４との間のフレア３０４の長さを介して実質的に同様の圧力勾配を提供するように形成または構成され得る。どちらの式によっても、入口管３１２と出口管３１４との間のフレア３０４の長さを利用して、境界層分離を避けながら、フレア３０４を介した流体または音波の速度を増加させ得る。従って、フレア３０４の内部壁は、フレア３０４に沿った圧力勾配が実質的に一様または一定であるように形成され、それにより、境界層分離を最小化または低減する。

同一のポート性能は、非円形セクション、非対称セクションまたは組み合わせを利用して達成され得る。式１４および２０は、ポートの構成を適切な面積の関係で代用することにより調整される。さらに、ポートは、回転対称でなくてもよい。１つの側面は平面であり、他方の側面が所望の面積拡張を維持するように変化し得る。

他の圧力および／または流体式を利用して、実質的に一定の圧力勾配を提供するように内部壁を形成または構成し得る。Ｍａｔｌａｂ（Ｒ）およびＭａｔｈｅｍａｔｉｃａ（Ｒ）を含む、様々なコンピュータプログラムを利用して、本発明の計算を実行し得る。これらのプログラムを利用して、圧力勾配を一定に保っている間のフレアの輪郭をプロットし得る。

様々な適用の実施形態が説明されたが、多くの別の実施形態およびインプリメントが本発明の範囲内で可能であることは当業者には明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれと同等なもの以外で制限され得ない。

図１は、フリースタンディング位置に対して後方位置のトランデューサダイアフラムを有するスピーカーエンクロージャの従来技術の断面図である。 図２は、フリースタンディング位置に対して前方位置のダイアフラムを有するスピーカーの従来技術の断面図である。 図３は、ポートの側面図である。 図４は、図３に示されるポートのセクションＡ−Ａに沿った断面図である。 図５は、図４に示されるポートのセクションＢに沿った伸長した断面図である。 図６は、スピーカーエンクロージャのポートに対するフレアの断面図である。 図７は、フレアに対する構成を示すグラフである。

Claims (23)

1. フレアと入口と出口とを備えたスピーカーポートであって、
   該フレアは、該入口と該出口とを接続する内部壁を有し、該内部壁は、該入口から該出口に移動する任意の周波数の音波に対して実質的に一定の圧力勾配を提供するように構成されている、スピーカーポート。
2. 前記フレアは、楕円形である、請求項１に記載のスピーカーポート。
3. 前記フレアは、非軸対称である、請求項１に記載のスピーカーポート。
4. 前記フレアは、第１のフレアを含み、前記スピーカーポートは、第２のフレアをさらに備えている、請求項１に記載のスピーカーポート。
5. 前記第１のフレアおよび前記第２のフレアは、基本的に同一の寸法を有する、請求項４に記載のスピーカーポート。
6. 前記第１のフレアおよび前記第２のフレアは、基本的に同一の圧力勾配を有する、請求項４に記載のスピーカーポート。
7. 前記第１のフレアと前記第２のフレアとの間に接続された円柱をさらに備え、該円柱と該第１のフレアと該第２のフレアとは、凹み核を形成する、請求項５に記載のスピーカーポート。
8. 前記凹み核は、基本的に円形の断面を有する、請求項７に記載のスピーカーポート。
9. 前記凹み核は、基本的に楕円形の断面を有する、請求項７に記載のスピーカーポート。
10. 前記スピーカーポートは、スピーカーエンクロージャを備える、請求項１に記載のスピーカーポート。
11. 前記内部壁は、流体密度、前記フレアに対する所定の初期流れ面積、該フレアの流体媒体の所定の初期速度、および、該フレアの所定の圧力勾配のうちの１つ以上に応答して選択された寸法を有する、請求項１に記載のスピーカーポート。
12. 前記内部壁は、前記フレアに対する所定の初期流れ面積、および、該フレアの流体媒体の所定の初期速度を含む要因に応答して選択された寸法を有する、請求項１に記載のスピーカーポート。
13. 入口と、
    出口と、
    該入口と該出口とを接続するフレア壁と
    を備えたオーディオラウドスピーカーであって、
    該オーディオラウドスピーカーを介して送信される任意の周波数の音波に対して、動作中に、該入口から該出口への方向の圧力勾配が、該入口から該出口への方向の該フレア壁に沿って実質的に一定になるように、該フレア壁の輪郭が描かれている、オーディオラウドスピーカー。
14. スピーカーエンクロージャをさらに備えている、請求項１３に記載のオーディオラウドスピーカー。
15. 前記実質的に一定である非ゼロ圧力勾配は、ｄｐ／ｄｘを含み、ここで、ｐは、前記スピーカーポートの前記フレアの内部壁に沿った圧力であり、ｘは、該スピーカーポートの入口管と出口管との間の方向に沿った距離である、請求項１に記載のスピーカーポート。
16. 少なくとも１つのフレアを備えたスピーカーポートであって、
    該フレアの少なくとも一部は、
    

    

    という式に実質的に従い、
    ここで、ｙは内部壁上の所与の位置ｘに対する該少なくとも１つのフレアの半径であり、ρは流体密度であり、Ａ_ｉｎは初期流れ面積であり、Ｕ_ｉｎは初期速度であり、Δは基本的に一定の圧力勾配ｄｐ／ｄｘであり、ｃは定数である、スピーカーポート。
17. 

    ここで、ｒ_ｉｎは初期半径である、請求項１６に記載のスピーカーポート。
18. 前記少なくとも１つのフレアに接続された円柱をさらに備え、該円柱および該少なくとも１つのフレアは、凹み核を形成する、請求項１６に記載のスピーカーポート。
19. 半径ｙ（ｘ）は、
    

    

    によって表され、
    ここで、Ａ（ｘ）は、前記壁の任意の部分に沿った任意の位置ｘにおける前記フレアの断面積である、請求項１６に記載のスピーカーポート。
20. 入口と、
    出口と、
    該入口と該出口とを接続するフレアと
    を備え、
    該フレアの少なくとも一部は、
    

    

    という式に実質的に従い、
    ここで、ｙは内部壁上の所与の位置ｘに対する該フレアの半径であり、ρは流体密度であり、Ａ_ｉｎは初期流れ面積であり、Ｕ_ｉｎは初期速度であり、Δは基本的に一定の圧力勾配ｄｐ／ｄｘであり、ｃは定数である、オーディオラウドスピーカー。
21. 

    ここで、ｒ_ｉｎは初期半径である、請求項２０に記載のオーディオラウドスピーカー。
22. 前記フレアの全体部分は、
    

    

    という式に実質的に従い、
    ここで、ｙは前記内部壁上の所与の位置ｘに対する該フレアの半径であり、ρは流体密度であり、Ａ_ｉｎは初期流れ面積であり、Ｕ_ｉｎは初期速度であり、Δは基本的に一定の圧力勾配ｄｐ／ｄｘであり、ｃは定数である、請求項２０に記載のオーディオラウドスピーカー。
23. 入口と、
    出口と、
    該入口と該出口とを接続するフレアと
    を備えたオーディオラウドスピーカーであって、
    該フレアは、表面を有し、
    該フレアの表面の形状は、ｘ方向に沿って、ρＵ（ｘ）ｄ（Ｕ（ｘ））＝定数という式を満たすように作られており、
    ここで、ρは流体密度であり、Ｕ（ｘ）は速度である、オーディオラウドスピーカー。

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