JP4600241B2 - スピーカシステムおよびスピーカエンクロージャー - Google Patents

Description

本発明は、スピーカシステムおよびスピーカエンクロージャーの技術に関する。

スピーカシステムには、種々のタイプのものが開発されており、例えば、バスレフやドローンコーンを用いたものがその代表である。
バスレフは、ヘルムホルツ共鳴を利用して低音を増強するものであり、ドローンコーンは駆動回路のないスピーカユニットを取り付け、エンクロージャーの容積内の空気との共振を利用して低音を増強するものである。

バスレフにおいては、エンクロージャーの容積が小さい場合、共振周波数を低くするには、共鳴管を小型で細長くしなければならず、空気抵抗が大きくなって低音増強機能が著しく低下し、また、共鳴管を通過する空気の速度が非常に速くなるために笛のような風切り音が発生するという問題がある。

また、ドローンコーンの場合は、共振周波数を低くするには、その質量を大きくしなければならない。そして、共振周波数を下げるためには、振動板を支持するエッジのコンプライアンスが大きくなければならないが、質量の大きな振動板を支持するためにはエッジのバネ性や強度は大きくなければならず、コンプライアンスと相反することになる。また、重い振動板が完全に平行に振動することは難しく、ローリングやロッキングと呼ばれる異常振動を伴い易い。この異常振動は、歪みを増加させ無駄なエネルギーを消費して、効率を低下させる。

上述したドローンコーンの欠点を補うために、例えば、特許文献１などが提案されている。この方式によれば、ローリングやロッキングは防止することができるが、振動板（フラップ）の重量をその周囲に設けられたエッジで支える構造であるため、エッジに強度が必要になり、その制動効果により振動のＱが小さくなるという問題がある。
特表２００２−５３１０３６号公報

上記課題を解決するため、本発明は、小型であっても充分な低音成分を出力することができ、ローリングやロッキングを防止するとともに振動板の振動のＱも大きくすることができるスピーカシステムおよびスピーカエンクロージャーを提供することを目的とする。

本願発明によるスピーカシステムは、内部が密閉されるスピーカエンクロージャーと、前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられ、前記スピーカエンクロージャーの内部空間が露出する開口構造と、前記振動板と前記開口構造との間に取り付けられ、前記開口構造によって露出する空間を前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材と、前記振動板に取り付けられたスピーカとを具備することを特徴とする。
本発明の好ましい態様として、前記スピーカは複数取り付けられているようにしてもよい。

本発明によるスピーカエンクロージャーは、スピーカが取り付けられるスピーカ取り付け穴を有した密閉型のスピーカエンクロージャーにおいて、前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられ、前記スピーカエンクロージャーの内部空間が露出する開口構造と、前記振動板と前記開口構造との間に取り付けられ、前記開口構造によって露出する空間を前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材とを備え、前記スピーカ取り付け穴は、前記振動板に設けられていることを特徴とする。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の実施形態であるスピーカシステムの構成を示す図であり、図１の（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。また、同図（ｄ）は側断面方向から見た分解組み立て図である。これらの図において、１０、１０は、ボイスコイル、マグネット等を備えたスピーカであり、スピーカエンクロージャー９０の前面に取り付けられている。スピーカエンクロージャー９０は、密閉型のエンクロージャーであり、板状の部材（例えば、木材、合成樹脂、金属もしくはそれらを張り合わせた合成材等）により形成されている。

スピーカエンクロージャー９０の正面の奥側（内部側）には、スピーカエンクロージャー９０の前面の内壁から垂直方向に所定距離突出し、スピーカエンクロージャー９０の前面において上下左右の内壁に沿って延びる枠部材９２が設けられている。枠部材９２によって囲まれた内側の空間は、開口部９０ｂになっており、スピーカエンクロージャー９０の内部空間が露出している。
また、図１の（ｂ）に示すように、スピーカエンクロージャー９０の正面の開口部９０ｂには薄い板状の振動板９１が取り付けられている。振動板９１は、スピーカエンクロージャー９０の正面と同じ大きさに形成され、スピーカエンクロージャー９０の正面全体を覆っている。振動板９１の上端部分は、枠部材９２の上部に幅方向に沿って取り付けられた直方体状の取付部材９３に取り付けられ、振動板９１の下端部分は自由端となっている。この結果、振動板９１は取付部材９３を支点として振動自在となっている。

振動板９１は、音響的に十分な強度と弾性とを併せ持つ部材で形成されている。ここで、「音響的に十分な強度」とは、空気を通さず、空気よりも十分大きな密度をもち、振動したときに音波を発生する強度と弾性を持つことを意味する。また、振動板９１は、それ自体で音波をある程度遮断できる性質を有する。
また、「弾性」の度合いは、この振動板９１の一辺を固定して水平に置いたときに自重とスピーカの重量を支えてほぼ水平に保つことができる程度である。このような特性を満足させるために、振動板９１は、例えば薄い木の板、薄い合成樹脂、金属の板もしくはそれらを張り合わせた合成材等からなる。

次に、４０は、振動板９１の振動部位９１ａの外周縁と開口部９０ｂの縁部との間に設けられ、スピーカエンクロージャー９０の気密性を保持するエッジである。エッジ４０の外周縁部は、振動板９１の振動部位９１ａの外周縁部に接着され、これにより、スピーカエンクロージャー９０の気密性が保持される。また、エッジ４０が自由に折れ曲がることにより、振動部位９１ａの振動は妨げられることなく、自由振動となる。
この振動板９１の中央上部には、振動板９１を貫通して２つのスピーカ取付穴が設けられ、このスピーカ取付穴に前述したスピーカ１０、１０が挿入されている。この場合、スピーカ１０の前面のフレームがネジにより振動板９１に固定されている。

上述した構成において、スピーカ１０が駆動されると、スピーカ１０のコーン紙の振動がスピーカエンクロージャー９０内の空気に伝搬され、この空気の振動によって振動板９１の振動部位９１ａが振動する。このとき、エッジ４０で気密性を保持された状態で振動する振動板９１は、振動したときにスピーカエンクロージャー９０内の空気容積を圧縮または伸張させる。したがって、振動板９１の弾性に加えてスピーカエンクロージャー９０の空気バネも加わったコンプライアンス（機械的可とう性）と振動板９１の等価質量との間で新たな共振周波数を持つようになる。この結果、振動板９１の共振周波数を中心に再生される音が生じる。具体的には、図１に示す場合において、有効直径３ｃｍ、最低共振周波数１９０Ｈｚのスピーカ２個を４００ｃｃのスピーカエンクロージャーに収め、振動板の共振周波数を１２０Ｈｚに調整することで１００Ｈｚ（−１０ｄＢ）からの低音再生が可能である。

ここで空気バネと振動板９１の弾性（バネ性）は、等価的に２つのバネが並列に接続されているように機能するが、空気バネの方が振動板９１のバネよりもコンプライアンスが小さいので、スピーカシステムとしての振動板９１の共振周波数はほぼ空気のコンプライアンスと振動板９１の等価質量で決まる。

以上のようにして決定される共振周波数は、容易に低音領域の所望値にすることができる。このように、本実施形態においては、振動板９１の曲げ振動を利用することによって、ドローンコーンのようなパッシブラジエターとしての作用が得られる。

また、振動部位９１ａは、「うちわ」のように全体がしなりながら振動する１次振動モードで低音再生を行う。なぜなら、振動板９１には２次や３次またはそれ以上の振動モードも存在しているが、空気で振動板９１全体が駆動されるため１次振動モードが最も強く発生し、それ以外の振動モードの発生レベルは小さくなるからである。また、高次モードをさらに抑えたい場合は、振動板９１の材質や厚さまたは複数の材料の張り合わせなどで調整が可能である。
この場合、スピーカ１０は振動板９１の振動の負荷になるから、その自重や取付位置によるモーメントの調整により、第１次振動モード以外の振動モードの抑制をするという機能を合わせ持たせることができる。

なお、本実施形態においては、振動板９１は、自重とスピーカ１０の重量を十分支えられる程度の弾性を持っているので、振動板９１を水平に置いてもそれ自身で水平を保持できる。また、振動板９１自身の弾性が自由共振のコンプライアンスになるが、弾性を持った振動板９１の内部損失は同じ弾性を持たせたエッジ４０の内部損失より遥かに小さいため振動時の損失は十分小さい。

また、本実施形態におけるエッジ４０は、従来のドローンコーン等に用いられるエッジに較べ柔らかな材質とすることができ、また、機械的な強度も必要ない。従来のドローンコーン等のパッシブラジエターにおいては、剛体の振動板をエッジで支えるという構造が必要であるため、エッジは振動板の支持と気密性の確保という２つの機能を持っていた。しかし、本実施形態においては、振動板９１の支持機能を振動板９１自体に持たせているので、エッジ４０に支持機能は必要でない。そのため、エッジ４０は、スピーカエンクロージャー９０内の気密性を保持できれば足りるから、従来にない柔らかな材料を用いることができ、振動板９１の振動を阻害しない状況を作ることができ、振動のＱを大きくすることができる。
また、振動板９１の共振周波数は、振動板９１の質量を大きくすることで下げることができる。すなわち、振動板９１の大きさや材質などによっても調整が可能であり、振動板９１に何らかの部材を貼り付けることによっても容易に調整が可能である。

ここで、等価回路を用いて本件発明と従来技術との差異について説明する。図２はスピーカの電気等価回路である。ボイスコイルインピーダンスを介してＣｍｅｓ、Ｒｅｓ、Ｌｃｅｓで構成される低域共振回路（共振周波数＝Ｆ０）が電圧駆動される構成を持っている。
ここで、
Ｒｅ＝ボイスコイル直流抵抗
Ｌｅ，Ｌ２，Ｒ２＝高域インピーダンス上昇要素
Ｃｍｅｓ＝スピーカ振動系の等価質量容量
Ｌｃｅｓ＝スピーカ振動系の等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｓ＝スピーカ振動系のメカニカル制動抵抗
である。

図３はスピーカエンクロージャーの等価回路であり、Ｌｖｅ＝等価容積インダクタンスである。
図４は、従来のドローンコーンやヒンジ固定フラップなどのパッシブラジエターの等価回路である。図示のように、スピーカからボイスコイルのファクターを無くした回路構成を持つ。質量Ｃｍｅｐは、エッジの持つコンプライアンスＬｃｅｐと制動抵抗Ｒｅｐで支えられている。
ここで、
Ｃｍｅｐ＝パッシブラジエターの等価質量容量
Ｌｃｅｐ＝パッシブラジエターの等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｐ＝パッシブラジエターのメカニカル制動抵抗
である。図５は従来のパッシブラジエターシステムの等価回路である。信号電圧がスピーカを駆動し、スピーカの音響出力がスピーカエンクロージャー容積を介してパッシブラジエターを駆動する。

システムとしての低域共振周波数は、ほぼＣｍｅｐとＬｖｅの共振周波数になる。少ない容積で共振周波数を下げるには、Ｃｍｅｐを大きくする必要があり、これはパッシブラジエターが重くなることを意味する。重いパッシブラジエターを支えるには、丈夫で強度のあるエッジが必要になる。一方、エッジには柔軟性が要求されるため、ゴムやウレタンなどの柔らかい材料が使われるが、強度を上げるには厚くする必要がある。しかし、エッジを厚くするということは、等価コンプライアンスＬｃｅｐを下げると同時に制動力も大きくするということになる（電気等価回路において表現すれば抵抗値Ｒｅｐが下がるということになる）。このため、パッシブラジエターのロスが大きくなり、低音の再生能力が下がってしまう。

図６は本願発明にかかる振動板の等価回路である。振動板は一辺が完全に固定されているため振動板自身がコンプライアンスＬｃｅｂを持ち自重を支えている。振動板は弾性体で作られているので、エッジ材料のような抵抗成分は無視できる。エッジは振動板の自重を支える必要がないため薄い材料で良く、コンプライアンスＬｃｅｘを非常に大きくすることができ、これにより必然的にロスも非常に小さくなる（電気等価回路において表現すれば制動抵抗Ｒｅｘが大きくなる）。
図６において、
Ｃｍｅｂ＝振動板の等価質量容量
Ｌｃｅｂ＝振動板の等価コンプライアンスインダクタンス
Ｌｃｅｘ＝振動板エッジの等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｘ＝振動板エッジのメカニカル制動抵抗
である。図７は本件発明におけるスピーカシステムの等価回路である。図５と比較した場合、スピーカとスピーカエンクロージャー容積を同じとすると、
Ｃｍｅｐ＝Ｃｍｅｂ
とすれば、低域の共振周波数も同じになる。この重量を支えるコンプライアンスも同等のものが必要になるが、図５ではＬｃｅｐであり、図７ではＬｃｅｘ＞＞Ｌｃｅｂであるから、ほとんどＬｃｅｂとなり、適切な設計をすればほぼ
Ｌｃｅｐ＝Ｌｃｅｂ
となる。ここまでのファクターに大きな差異はない。しかし、ここまでの説明で明らかなように、
Ｒｅｘ＞＞Ｒｅｐ
となることが、本願発明の重要な特徴であり、これにより従来方式に較べてロスが大幅に少なくなり、低音再生が有利になることが分かる。

ところで、スピーカエンクロージャーのバッフル板にスピーカを取り付け、振動板をバッフル板と同じ面に配置した場合は、振動板の面積が十分に得られなかったり、振動板の形状が横長になってしまう等の問題があるが、上述した実施形態においては、スピーカ１０を振動板９１に取り付けるので、振動板９１の振動面積を十分にとることができ、また、スピーカ１０と振動板９１との配置の自由度が高まり、スピーカシステムのデザインの自由度も増すという効果を得られる。

また、スピーカ１０を振動板９１の表面から取り付けることにより、図１の（ｂ）に示すように、スピーカ１０の奥行きに由来するスピーカシステムの奥行きを狭くすることが可能となる。

さらに、スピーカ１０を含む振動板９１の外周にエッジ４０を設置することで、振動板９１の有効振動板面積を効果的に拡大することが可能となる。

図１に示す実施形態の場合、スピーカシステムとしては小型であり、同時に奥行きを非常に浅く形成することができる。この場合、机やテーブルの天板に図１に示すスピーカシステムの背面を重ねて載置したり、壁に密着させて取り付けたりすると、スピーカシステムの後方へ回り込む低音を前方に反射させて低音を増強することが出来る。

なお、上述した実施形態におけるスピーカエンクロージャー９０の形状に限定されることなく種々の形状で実施することができる。スピーカの数についても同型のものを２個という構成に限定されることなく、１個でも３個以上であってもよく、さらに、形状の異なるスピーカや特性の異なるスピーカを組み合わせて用いることもできる。

また、振動板の形状についても上述したものに限定されるものではなく、例えば、図８に示すような形状であってもよい。図８は、この変形例であるスピーカシステムの外観を示す斜視図である。図において、５０は、直方体状のスピーカエンクロージャーであり、前面のバッフル板５０ａの上部から下部にかけてＵ字状に細長く切り欠かれた開口部６０が設けられている。この場合、Ｕ字状の内側の部分が振動板５１として機能する。すなわち、振動板５１の上部はバッフル板５０ａと一体であり、それ以外の部分はＵ字形状の開口部６０によってバッフル板５０ａから切り離されているから、振動板５１はその上端が固定された状態で自由に振動可能である。また、開口部６０は断面がアーチ状のエッジ７０によって、スピーカエンクロージャー５０の内側から覆われ、これによりスピーカエンクロージャー５０の気密性が保持されている。

図８に示す例においても、上述した実施形態と同様に、振動板５１には、振動板５１を貫通して２つのスピーカ取付穴が設けられ、このスピーカ取付穴にスピーカ１０、１０が挿入されている。この場合、スピーカ１０の前面のフレームがネジにより振動板５１に固定されている。これにより、上述した実施形態と同様に、振動板９１の有効振動板面積を拡大することが可能となる。

本発明の実施形態であるスピーカシステムの構成を示す図である。 スピーカの電気等価回路である。 スピーカエンクロージャーの電気等価回路である。 従来のパッシブラジエターの等価回路である。 従来のパッシブラジエターシステムの等価回路である。 本願発明にかかる振動板の等価回路である。 本願発明にかかるスピーカシステムの等価回路である。 本発明の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０…スピーカ、４０，７０…エッジ、５０，９０…スピーカエンクロージャー、５０ａ…バッフル板、６０，９０ｂ…開口部、５１，９１…振動板、９１ａ…振動部位、９２…枠部材、９３…取付部材。

Claims (3)

1. 内部が密閉されるスピーカエンクロージャーと、
   前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、
   前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられ、前記スピーカエンクロージャーの内部空間が露出する開口構造と、
   前記振動板と前記開口構造との間に取り付けられ、前記開口構造によって露出する空間を前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材と、
   前記振動板に取り付けられたスピーカと
   を具備することを特徴とするスピーカシステム。
2. 前記スピーカは複数取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のスピーカシステム。
3. スピーカが取り付けられるスピーカ取り付け穴を有した密閉型のスピーカエンクロージャーにおいて、
   前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、
   前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられ、前記スピーカエンクロージャーの内部空間が露出する開口構造と、
   前記振動板と前記開口構造との間に取り付けられ、前記開口構造によって露出する空間を前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材と
   を備え、
   前記スピーカ取り付け穴は、前記振動板に設けられている
   ことを特徴とするスピーカエンクロージャー。

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