JP4944963B2 - オーディオトランスデューサーにおけるポイント励起配置 - Google Patents

Description

本発明は、オーディオトランスデューサーにおけるダイアフラムのパドルに関する。

発明の一側面では、方法はオーディオトランスデューサーの励起をサポートする。オーディオトランスデューサーは、ダイアフラムのパドルを駆動することによって励起される。パドルの複数のノード領域が、共鳴周波数に対応し１より大きい次数を有する高次モード成分について決定される。少なくとも二つの高次モード成分の交差領域が同定される。交差領域に励起ポイントが位置し、そこでその後パドルは機械的ソースによって励起ポイントで励起される。

発明の他の側面では、高次モード成分を決定する時に、二次モード成分と三次モード成分のノード領域が決定される。追加のモード成分を決定しても良い。

発明の他の側面では、パドルの一部を強化するなどして、ノード領域の少なくとも一つを変化させる。

発明の他の側面では、オーディオトランスデューサーのダイアフラムは、フレームと、少なくとも一つの蝶番と、パドルを含む。パドルは、少なくとも一つの蝶番によってフレームに繋がれ、音響信号を発生するように励起ポイントにおいて信号源によって励起される。少なくとも二つの高次モード成分の交差領域内に励起ポイントが位置する。

発明の他の側面では、少なくとも一つの蝶番は、スロット領域によって隔てられた二つの蝶番を含む。

図１は、発明の実施形態に従って励起ポイントで励起されたオーディオトランスデューサーのダイアフラムを示す。 図２は、発明の実施形態に従ったオーディオトランスデューサーを示す。 図３Ａは、発明の実施形態に従って基本モードで励起されたダイアフラムのパドル。 図３Ｂは、発明の実施形態に従って二次モードで励起されたダイアフラムのパドル。 図３Ｃは、発明の実施形態に従って三次モードで励起されたダイアフラムのパドル。 図３Ｄは、発明の実施形態に従って四次モードで励起されたダイアフラムのパドル。 図４は、発明の実施形態に従って各ノード領域が複数のモード成分の一つに関連した、パドルの異なるノード領域を描く。 図５は、発明の実施形態に従った測定イヤホン応答を示す。 図６は、発明の実施形態に従ったパドルのモデリングを示す。 図７は、発明の実施形態に従ったプロトタイプの測定パドル速度を示す。 図８は、発明の実施形態に従ったプロトタイプの測定パドル速度を示す。

図１は、発明の実施形態に従って励起ポイントで励起されたオーディオトランスデューサーのダイアフラム１００を示す。ダイアフラム１００は、蝶番１０５と１０７を通してフレーム１０３に接続されたパドル１０１を含む。蝶番１０５と１０７はスロット領域１１１によって隔てられている。パドル１０１はギャップ領域１０９によってフレーム１０３から隔てられている。発明の実施形態では、スロット領域１１１とギャップ領域１０９はＭｙｌａｒ（登録商標）の薄膜によって覆われている。Ｍｙｌａｒの膜は、パドル１０１の前面から背面を封止する。そうでなければ、一方側で作られた正の圧力は、パドル１０１の他方側上の負の圧力によって相殺され得る。また、Ｍｙｌａｒの膜は、パドル１０１に追加の硬度を提供し得る。

発明の実施形態では、パドル１０１は、長さＬ＝６．７６ｍｍ、幅３．８６ｍｍ、厚さ０．００２インチのアルミニウム１１００−Ｈ１９から構築されている。（図１に示すように、パドル１０１の長さには蝶番部分１０５と１０７は含まれない。しかし、もし蝶番部分１０５と１０７を含めるのであれば、長さに０．２５４ｍｍが追加されるであろう。）

機能的には、パドル１０１の目的は、音響信号を生成するために空気（または液体）をずらすことである。パドル１０１は、等方性の材質をもった連続的な構造であり、よって典型的には塊となったシステムのようには振舞わない。もし、各々が狭帯域の周波数を再生することが期待される複数のドライバーをもったイヤホンを設計しているのであれば、ドライバーの塊となった均等物に基づいてシステムを最適化出来得る。しかし、単一の広帯域ドライバーであれば、ある程度の高周波数制御を得るために塊となった（低周波数）特性は妥協しなければならない。このアプローチは、ダイナミックドライバーコンポーネントの機械的な振る舞いを理解することに相当する。

パドル１０１を駆動する励起ポイント１１３を適切に位置付けすることにより、オーディオトランスデューサーの高周波応答を向上出来る。線形なダイナミックエクスカーションについては、パドル１０１の変位は数学的には、モード成分の加重和として表すことができ、ここで加重定数（モード関係ファクター）は周波数と負荷の関数であり、モードは材質とジオメトリーと境界条件の関数である。各モード成分は関連する共鳴周波数を有し、正味の変位に貢献するかもしないかも知れない（パドル表面上でのモードの積分によって決められる）。基本モードは片持ち梁化されたパドルの応答に最大の正味の変位に貢献する。従って、周波数レンジ全体を通して基本モード成分の影響を拡張することが望ましい。残念ながら、与えられた片持ち梁化されたパドルは、２０ｋＨｚより下に多くのモード成分を持ち得る。変位は全てのモード成分の重ね合わせであるが、構造が単一のモード共鳴周波数で励起される時は、結果として得られる変位はそのモードだけから構成される（残りのモードの加重定数が全て零）。この観察は、２０ｋＨｚより下のモード共鳴周波数の各々においては、パドル変位は単一のモード貢献からなり、従って基本共鳴周波数を除くと基本モードからの貢献は持たないことを意味する。しかし、これはモード領域（対応する共鳴周波数においてモード変位を経験しない構造上の位置）において励起が起こらない時だけ本当である。

これから議論されるように、パドル１０１が励起ポイント１１３で励起され、全ての高次モード成分が励起ポイント１１３を通る関連したノード領域（ノードラインとして理想化され得る）を有する時、高次モード成分は結果として得られるパドル変位には貢献しない。（高次モード成分は、１より大きい次数を有する。基本モード成分は１の次数を有する。）基本モード成分に帰される変位を結果として得られる変位が部分的に打ち消すので、高次モード成分の貢献は典型的には望ましくない。高次モード成分の影響は、励起ポイント１１３の位置を注意深く選ぶことによってかなり削減できる。しかも、蝶番ノード以外のパドル上のいかなる位置かに励起を印加することは、基本モード成分を励起する。その基本モードで振動すると、パドル全体が位相を揃えて動く。

図１に示す例示的実施形態では、二つの最も低い偶数次モード（２と４）が、蝶番１０５と１０７から自由端の先端までのパドル１０１の中央を通るノード領域を共有する。二次と四次のモード成分は位相を変位させて振動する同等の部分を有し、従って零に積分されて正味の変位には貢献しない。しかしこれらのモード成分の励起は、潜在的に二つの共鳴周波数における応答の鋭い落ちを引き起こすことが出来る。

２０ｋＨｚより下の残りの奇数次（第３）モード成分は、パドルの自由端が位相を変位させて振動する結果となり、基本モードと比較してより小さい正味の変位に積分される。例示的実施形態では、第三モードの第二のノードラインの位置（第一のノードラインは蝶番端にある）は蝶番から約０．６６×Ｌの距離にあり、ここでＬはパドル長である。中心線に沿ったこのポイントはモード形状によって規定されるので、励起ポイント１１３の位置は材質とジオメトリーと境界条件の関数である。蝶番から０．６６Ｌの距離をもつ中心線に沿ったポイントにおいて片持ち梁化されたパドル３０１にポイント力を印加することは、基本モードを励起するが、２０ｋＨｚより下の残りの３つのモードは励起しない。これは、パドルの自由端において（即ち、蝶番からＬの距離において）ポイント力を印加したときに得られるであろう周波数よりかなり上の基本モードの影響を拡張する。従って、高次モード成分の影響が有意になる前に、より広い帯域幅に跨ってダイアフラム３００が制御される。

２０ｋＨｚより下の３つの残りのモードの貢献の削減を通した基本振動モードの分離。分離は、３つの望ましくないモード形状のノードラインの交差点にポイント力励起を配置することによって達成される。具体的な位置は、ジオメトリーと材質に依存するが、この技術を用いて様々な構成について決定することができる。ノードラインの位置を決定して、よって最適励起ポイントを予測するのに、コンピューターシミュレーション（有限要素分析）を使うことが出来る。

（２次元にモデル化された）パドル変位は、

のように表現され得て、ここでηは位置（ε，ζ）におけるパドル変位、α_ｊは周波数と負荷の関数であるモード加重ファクター、Ψ_ｊ（ε，ζ）はｊ次モード成分についてのモード変位である。モード変位は境界条件の関数であり、典型的にはモード形状と呼ばれるものを規定する。特定の位置（ε，ζ）におけるパドル変位ηは、ポイント（ε，ζ）におけるモード変位に、実数または複素数であり得る加重ファクターを掛けたものの和である。理想的な（損失のない）材料では、ｆ＝ｆ_ｊ（ｊ番目の共鳴周波数に対応する）において構造を励起することは、励起ポイントがノード領域上に位置していないとすれば、ｊ次モード成分のみを励起する（即ち、η＝α_ｊΨ_ｊ）。（ノードラインと呼ばれ得るノード領域は、対応するモード成分について本質的に零変位を有する領域を同定する。）

現実の材料では、励起ポイントがモード成分の（例えば図４に示されるような）ノード領域内に位置していないとすれば、内部損失（構造減衰）がモード減衰を導入して、モード成分Ψ_１とΨ_ｊの和（η＝α_１Ψ_１＋α_ｊΨ_ｊ）である応答に結果としてなる。もしモード成分についての変位がパドル１０１に渡って零に積分されるなら、モード成分はパドル応答には貢献しない（液体または空気の変位がない）。

例示的実施形態によって、励起ポイント１１３は、蝶番１０５と１０７から約４．４３ｍｍ（即ち、０．６６Ｌ）に位置する。理論的計算とシミュレーション結果は励起ポイント１１３のおよその位置を提供するが、プロトタイプからの実験結果は、プロトタイプが理想的モデルからはずれている結果として位置は調節されることを示唆し得る。例えば、理論的結果はパドルのモデリングに依存する。

図２は、発明の実施形態に従ったオーディオトランスデューサー２００を示す。（図１に示されたダイアフラム１００に対応する）ダイアフラム２０１は駆動ピン取り付けポイント２０５において駆動ピン２０３によって駆動（励起）される。その一方、駆動ピン２０３は、電子回路（図示せず）からの（典型的にはオーディオ周波数レンジの）電気信号によって励起される（磁石２０９とコイル２１１からなる）電機子構造と共同してリード２０７によって駆動される。実施形態では、駆動ピン取り付けポイント２０５は、（図１に示された励起ポイント１１３に対応する）パドルの表面上の単一のポイントとしてモデル化される。

図３Ａ−３Ｄは、（図１に示されたギャップ領域１０９をもつダイアフラム１００のパドル１０１に対応する）ギャップ領域３０９をもつダイアフラム３００のためのパドル３０１の変位分析を示す。前に議論したように、例示的実施形態によってパドル３０１は長さＬ＝６．７６ｍｍと幅３．８６ｍｍを有する。シミュレーション３５１、３５３、３５５、３５７において、変位は有限要素分析（ＦＥＡ）から決められる。ＦＥＡによって、パドル３０１のコンピューターモデルは、メッシュと呼ばれるグリッドとして配列された（しばしばノードと呼ばれる）選択されたポイントでもって構築される。シミュレーションにおいて、パドル３０１はチタニウムグレード１の材質でもってモデル化されるが、代替的なシミュレーションはアルミニウム１１００−Ｈ１９の材質を利用しても良い。

発明の実施形態によって、パドル３０１は、パドル３０１の長さに沿って位置する２つの肋材でもってモデル化される。肋材は典型的にはパドル３０１の共鳴周波数を上げる。高次モード成分の効果が削減されるので、共鳴周波数を上げることは典型的には望ましい。しかしながら、肋材を追加することはパドル３０１の硬度も増加し、従ってパドル３０１の音響応答を低減する傾向がある。図３Ａ−３Ｄに示すモード構造は励起ポイントには依存しないことに注意されたい。

図３Ａは、発明の実施形態に従ってパドル３０１が（ＥＱ．１でｊ＝１に対応する）基本モードで励起されるシミュレーション３５１を示す。対応する共鳴周波数（ｆ１）はおよそ７８６Ｈｚに等しい。図３Ａに示されるように、パドルの変位量は異なる影でもって示され、より暗い領域ほど変位が少ない。（黒い領域内では、変位はおよそ零である。よって、黒い領域がノード領域である。）これに対応して、ノード領域３９１（基本モード成分）はおよそ零の変位に対応する。

図３Ｂは、発明の実施形態に従ってパドル３０１が（ＥＱ．１でｊ＝２に対応する）二次モードで励起されるシミュレーション３５３を示す。対応する共鳴周波数（ｆ２）はおよそ３６９０Ｈｚに等しい。ノード領域３９３（二次モード成分）はおよそ零の変位を持つ。

図３Ｃは、発明の実施形態に従ってパドル３０１が（ｊ＝３に対応する）三次モードで励起されるシミュレーション３５５を示す。対応する共鳴周波数（ｆ３）はおよそ１１４００Ｈｚに等しい。ノード領域３９５（三次モード成分）はおよそ零の変位を持つ。

図３Ｄは、発明の実施形態に従ってパドル３０１が（ｊ＝４に対応する）四次モードで励起されるシミュレーション３５７を示す。対応する共鳴周波数（ｆ４）はおよそ１６６００Ｈｚに等しい。ノード領域３９７（四次モード成分）はおよそ零の変位を持つ。

図３Ａ−３Ｄは、最初の４つのモード成分についてのシミュレーションを示すが、４よりも次数の大きな（即ちｊ＞４）モード成分は有限要素分析を使って決めても良い。しかしながら、典型的なオーディオ応用は、人間の耳の限界のために典型的には２０ｋＨｚより少ない周波数だけを考慮する。

図４は、発明の実施形態に従って各ノード領域が複数のモード成分の一つに関連した、パドル１０１の異なるノード領域を描く。図４は異なるノード領域だけを描いていることに注意されたい。図３Ａ−Ｄは例示的実施形態についてのシミュレーションされたノード領域を示す。ノード領域４０１、４０３、４０５、４０７はそれぞれノード領域３９１、３９３、３９５、３９７に対応する。１よりも大きな次数を有するモード成分は高次モード成分と名づけられる。

偶数次モード成分は、パドル１０１の中心線４５１について対称なノード領域を有する。励起ポイント１１３は典型的には中心線４５１上に位置しているので、偶数次モード成分は励起されない。（ただし、これから議論されるように発明の実施形態は、励起ポイント１１３が領域４５３内で中心線４５１について非対称に位置することを可能とする。）少量の非対称負荷は偶数次モード成分を励起するが、正と負の変位のほぼ等しい貢献は、パドル１０１の全体的変位応答に対して無視できるのに十分小さな総変位に結果としてなる。

交差領域４５３は、高次モード領域の交差点によって決められる。図４に示されるように、交差領域４５３はノード領域４０３、４０５、４０７の交差に対応する。もし励起ポイント１１３が交差領域４５３内に位置していれば、高次モード成分に帰される変位は削減され、パドル１０１の変位分析において無視されても良い。従って、パドル１０１の励起は、（図３Ａに示されるような）基本励起によって本質的に決められる。例示的実施形態では、励起ポイント１１３は、中心線４５１に沿って蝶番１０５と１０７から０．６６Ｌ（ここでＬはパドル１０１の長さ）におよそ位置している。

パドル１０１は上述したように有限要素分析を使って分析しても良いが、他のアプローチを使って励起ポイント１１３の位置を決めても良い。例えば、パドル１０１の音響的反動負荷を無視して、これから議論されるように図６にモデル化されるような分析を使ってパドル変位を近似化しても良い。また、交差領域を決めるために異なるモード成分についてパドル１０１の変位を測定しても良い。励起ポイント１１３の配置を決めるのに変位を測定することは経験的であり、典型的には時間を要する。しかも、パドル１０１が変化させられた（例えば、パドル形状を変更したり肋材を追加したりした）時に測定を繰り返さなければならない。

図５は、発明の実施形態に従った測定イヤホン応答５００を示す。周波数応答５０１は、励起ポイントがおよそパドル３０１の端（即ち、ｘ＝０．９０Ｌ）に位置するときのパドル３０１の応答を示す一方、周波数応答５０３は、励起ポイントがおよそｘ＝０．６６Ｌに位置するときの応答を示す。測定イヤホン応答５００は、励起ポイントが交差領域４５３内に位置するときに周波数応答が拡張されることを示唆する。特に、上記議論に従って三次モード成分からの貢献が実質的に削減される。

図６は、発明の実施形態に従ったパドル６０１のモデリングを示す。発明の実施形態によって、例えば三次モード成分のような高次モード成分を削減する励起ポイントの位置を決めるためにパドル６０１が分析されても良い。パドル６０１は、長さＬ，一定の幅ｂ、一定の厚さｈを有する片持ち梁化されたビームとしてモデル化されている。片持ち梁化されたビームとしてモデル化されたパドル６０１は、

で与えられるモード形状を有する。
片持ち梁化されたビームの自然周波数を決める特性方程式は、

で求められる。

モード加重ファクターは、

から決められ、ここでｑ（ｘ）はｘの関数としての力、Ｅは材料のヤング率、Ｉは面積モーメント、ρは材料密度、Ａは断面積である。α_ｊはωの関数であるが、位置ｘの関数ではないので定数である。片持ち梁化されたビームは幅ｂと厚さｈの一定の長方形断面を有するので、面積モーメントＩは、

で与えられる。
従って、モード共鳴周波数ω_ｊは、

で与えられる。

高次モード成分を削減する励起ポイントを位置付けするために、ｊ次モード成分の貢献を除去するためにα_ｊが本質的に零であるようにｘを変動することができ、ここでｑ（ｘ）は片持ち梁化されたビームに沿った単一のポイントｘ’において印加された力である。もし励起ポイントがパドルの中心線に位置していれば、偶数次モード成分の変位貢献は本質的に零である。そのような場合には、三次モード成分が、高次モード成分の最大の効果を持つ。従って、α_３（三次モード成分のモード加重ファクター）を削減するためにパドルの長さに沿って励起ポイントの位置を変動する。

図７は、発明の実施形態に従って７４００Ｈｚで測定された第一のパドルプロトタイプ（図示せず）のパドル速度プロット７０１を示す。（パドル速度は、パドルに沿った位置の関数としてｍｍ／ｓｅｃで測定される。）ｘ軸は多数の測定ポイントのみを示す。実際の距離Ｉに変換するには、スキャン解像度（メートル当りのポイント数）を得る必要があろう。第一のパドルプロトタイプによって、励起ポイントはパドルの端の近く（ｘ＝０．９０Ｌ）に位置し、ここで蝶番はｘ軸上のポイント１１２に位置している。基本（一次）モード成分からのより少ない貢献と共に三次モード成分からの貢献が観察される。三次モード成分からの貢献は、励起周波数がおよそ１１４００Ｈｚに等しい第三共鳴周波数ｆ３に等しくなるまで、励起周波数と共に増加する。

図８は、発明の実施形態に従って７４００Ｈｚで測定された第二のパドルプロトタイプ（図示せず）のパドル速度プロット８０１を示す。励起ポイントはダイアフラムの蝶番部分からおよそ０．６６Ｌに位置している。パドル速度プロット７０１と比較すると、三次モード成分からの変位貢献は無視できるものである一方、パドルの動きは基本モード形状によって支配されている。図７と８に示した実験結果は、上述したように、パドル端から離れた励起の配置が高次モード成分からの貢献を実質的に削減し、従って音響デバイスの周波数応答を向上することを示唆する。

発明を実行するのに現在好ましいモードを含んだ特定の例について発明が記載されたが、添付された請求項に提示されるような発明の精神と範囲内に入る上述したシステムおよび技術の数多くの変形や変更があるということを当業者は理解するであろう。

Claims (20)

1. オーディオトランスデューサーを励起する方法であって、
   （ａ）前記オーディオトランスデューサーに含まれる一つのダイアフラムの一つのフレームに少なくとも一つの蝶番によって接続された一つのパドルの複数のノード領域であって、各ノード領域は複数の高次モード成分の一つに関連し、前記高次モード成分は一より大きい次数を有するノード領域を決定することと、
   （ｂ）少なくとも二つの高次モード成分にそれぞれ対応するノード領域の一つの交差領域を特定することと、
   （ｃ）前記交差領域の中に一つの励起ポイントを位置付けることと、
   （ｄ）一つの信号源によって前記パドルを前記励起ポイントにおいて励起して音響信号を発生することと
   を含み、
   各ノード領域は、前記少なくとも二つの高次モード成分の対応モード成分に対して実質的にゼロの変位であることを特徴とする方法。
2. （ａ）は、（ａ）（ｉ）二次モード成分と三次モード成分を決定することを含み、
   前記少なくとも二つの高次モード成分は二次モード成分と三次モード成分を含む、請求項１の方法。
3. 前記少なくとも二つの高次モード成分は更に他のモード成分を含む、請求項２の方法。
4. （ｅ）前記複数のノード領域の少なくとも一つを、前記パドルの形状又は強度を変えることによって変化させることを更に含む、請求項１の方法。
5. （ｅ）は、（ｅ）（ｉ）前記パドルの一部の強度を高めることを含む、請求項４の方法。
6. （ａ）は、（ａ）（ｉ）前記パドルを有限要素分析によって分析することを含む、請求項１の方法。
7. （ａ）は、（ａ）（ｉ）前記パドルを片持ち梁としてモデリングすることを含む、請求項１の方法。
8. （ａ）は、
   （ａ）（ｉ）前記パドルを励起周波数で励起することと、
   （ａ）（ｉｉ）前記パドルの速度プロットを求めることと、
   （ａ）（ｉｉｉ）（ａ）（ｉ）から（ａ）（ｉｉ）を異なる周波数で繰り返すことと
   を含む、請求項１の方法。
9. オーディオトランスデューサー内で音響信号を発生するように励起されたダイアフラムであって、
   一つのフレームと、
   少なくとも一つの蝶番と、
   前記少なくとも一つの蝶番によって前記フレームに繋がれた一つのパドルであって、前記パドルは一つの励起ポイントにおいて一つの信号源によって励起されて前記音響信号を発生し、前記励起ポイントが少なくとも二つの高次モード成分にそれぞれ対応するノード領域の一つの交差領域の中に位置付けられているパドルと
   を含み、
   各ノード領域は、前記少なくとも二つの高次モード成分の対応モード成分に対して実質的にゼロの変位であることを特徴とするダイアフラム。
10. 前記少なくとも一つの蝶番はスロット領域によって隔てられた二つの蝶番を含む、請求項９のダイアフラム。
11. 前記パドルは強度が高められた部分を含む、請求項９のダイアフラム。
12. 前記強度が高められた部分は肋材構造を含む、請求項１１のダイアフラム。
13. 前記交差領域は二次モード成分と三次モード成分にそれぞれ対応するノード領域を含む、請求項９のダイアフラム。
14. 前記交差領域は他の高次モード成分に対応するノード領域を含む、請求項１３のダイアフラム。
15. 前記励起ポイントは、前記パドルの中心線に沿って前記少なくとも一つの蝶番から０．６６Ｌに位置付けられ、Ｌはパドルの長さである、請求項９のダイアフラム。
16. 前記パドルを前記フレームから隔てる一つのギャップ領域を更に含む、請求項９のダイアフラム。
17. 前記ギャップ領域は一のシート材料によって覆われる、請求項１６のダイアフラム。
18. 音響信号を提供するオーディオトランスデューサーであって、
    電気信号によって駆動された一つの励起部と、
    前記励起部によって励起されて動きを起こす一つのリンケージと、
    一つの励起ポイントにおいて前記リンケージに結合された一つのダイアフラムであって、前記リンケージが動くにつれて前記リンケージによって励起されるダイアフラムと
    を含み、
    前記ダイアフラムは、
    一つのフレームと、
    少なくとも一つの蝶番と、
    前記少なくとも一つの蝶番によって前記フレームに接続された一つのパドルであって、前記パドルは一つの励起ポイントにおいて前記リンケージによって励起されて前記音響信号を発生し、前記励起ポイントが少なくとも二つの高次モード成分にそれぞれ対応するノード領域の一つの交差領域の中に位置付けられているパドルと
    を含み、
    各ノード領域は、前記少なくとも二つの高次モード成分の対応モード成分に対して実質的にゼロの変位であることを特徴とするオーディオトランスデューサー。
19. 前記交差領域は二次モード成分と三次モード成分にそれぞれ対応するノード領域を含む、請求項１８のオーディオトランスデューサー。
20. 前記交差領域は他の高次モード成分に対応するノード領域を含む、請求項１９のオーディオトランスデューサー。

Images