JP5188839B2 - フラットパネルスピーカー - Google Patents

Description

本発明は、ダクト付きのフラットパネルスピーカーに関する。

良質な音響放射を提供する小型スピーカーに関する研究が進んでいるが、小型スピーカーの低音放射特性の改善は、コーン型、フラットパネル型を問わず大きな課題である。
音の伝播特性から、音波に方向性（指向性）が表れるが、音波の方向性は高い周波数の音波ほど強く、低い周波数の音波では弱い。

図１３に、スピーカー１０からの５０Ｈｚの音波、５００Ｈｚの音波、１０，０００Ｈｚの音波の伝播の概念図を示している。
このように低音域の音波は方向性を持たないため、図１４に示すとおり、振動板の背面から出た音波Ｓ_１は振動板の前面に回り込むので、前面に生成された低音域の音圧は、背面から回り込んできた音圧によって打ち消されてしまうため、前方（聴取者の方向）への音響放射が弱くなってしまう。
この現象は音波の“回り込み”現象と称されるが、この “回り込み” 現象は、低音域ほど強く作用するので、小型スピーカーの低音域特性不良の主原因となっている。
一方、野外コンサートや案内放送などでは、図１５に示すように音波が拡散するので、放送の目的区域外の周辺では騒音となる。
このような使用目的のスピーカーでは、放射する音波の中低音域にも指向性を持たせて拡散を防止することが望まれている。

［スピーカーボックス］
従来のコーン型スピーカーでは、スピーカーをボックスに入れることで前記の“回り込み”現象を抑制して前面への低音放射を豊富にしており、各種のスピーカーボックスが研究されて来た。
スピーカーボックスには密閉型、位相反転型、共鳴箱型などがあるが、低音特性を求めると、いずれも大型となる。

図１６に示すとおり、スピーカーユニット２０の密閉箱２１は、スピーカー２２の背面から放射される音響エネルギーの全てをグラスウール２４に吸収させるものである。

図１７に示すとおり、位相反転型スピーカーユニット３０はボックス３１の一部にダクト３８を設け、スピーカーの背面から放射される逆位相の低音域の音波を、位相を反転させて正位相の音波として前面に出し、放射レベルを改善するものであるが、１００Ｈｚの音波の波長は約３．４ｍあるので、位相を反転させるためには、ダクトの必要長さが半波長の約１．７ｍと長くなるため実現は難しい。

そこで、密閉箱に共鳴管としてダクトを装着し、低い周波数で共鳴させて、低音特性を改善している例が多い。形状は位相反転型と変わらない。
この他に、ホーン型と称するスピーカーもある。この方法は、スピーカー前面から放射される音波を長いホーン状の管から放射する方式である。ホーンの長さが長くなるため、通常のスピーカーボックスより大きくなってしまう欠点があって普及していない。

近年、米国のＢＯＳＥ社が「ウエーブガイド」方式なるものを発明しているが、ウエーブガイドの全長は１３２センチに及んでいて、容易に低域改善の目的を達している訳ではない。
以上のように、スピーカー背面から出る逆位相の音波の処理は、現在でも大きな問題である。

［フラットパネルスピーカー］
スピーカーの振動板をコーン紙に替えて、曲げ剛性の高いパネルを振動版としたフラットパネルスピーカーがある。
通常のフラットパネルスピーカーのユニット４０は、図１８に示すとおり、フレーム４１、振動板４２、加振器（ドライバー）４４で構成される。
フラットパネルスピーカーの最大の特徴は薄型であることなので、スピーカーボックスに入れずに使われている例が多い。

フラットパネルスピーカーは、面音源からの音響放射となり、低音域の音波も方向性を持っているので、スピーカーボックスに入れなくても回り込み現象が少なく、低音域の放射特性が改善されている。
しかし、図１９に示すように、理論的には面音源からの音響放射も振動板の一辺の長さの１／πから拡散を始めるので、振動板の大きさに限度がある小型のフラットパネルスピーカーでは、回り込み現象を抑制することが出来ないため、低音域特性は必ずしも満足されていない。

本出願人は、フラットパネルスピーカーの研究を進め、下記の特許を取得し、さらに数件の特許を出願している。

特許第３５９９６９９号 特許第３７６２２０２号 特許第３７６２４００号

本発明が解決しようとする課題は、フラットパネルスピーカーの振動板から放射される中低音域の音響に指向性を持たせて“回り込み”現象を抑制することによって、室内で音楽を聴くためのスピーカーの低音域特性を改善する一方、屋外用スピーカーの音響拡散を絞って放送区域を限定することである。

上記の課題を解決するために、本発明のフラットパネルスピーカーは、基本的手段として、振動板パネルと、振動板パネルに装備される加振器と、振動板パネルの一方の音響放射面に対して隙間を介して配設される多数のチューブ状のダクトで構成される音響拡散抑制ダクト装置と、音響拡散抑制ダクト装置の周囲と振動板パネルとの間の隙間を封止する弾性材製のシール部材とを備える。
また、振動板パネルと、振動板パネルに装備される加振器と、振動板パネルの両方の音響放射面に対して隙間を介して配設される多数のチューブ状のダクトで構成される音響拡散抑制ダクト装置と、音響拡散抑制ダクト装置の周囲と振動板パネルとの間の隙間を封止する弾性材製のシール部材とを備えるものである。
そして、チューブ状のダクトは、ハニカムコアで形成され、チューブ状のダクトの軸線は、振動板パネルに対して任意の角度を有するように形成されるものである。
さらに、チューブ状のダクトの軸線は、焦点を有するように形成されることもできる。

本発明によれば、フラットパネルスピーカーの音質を向上させることができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の基本的な構成を示す。
フラットパネルスピーカー１００の振動板パネル１１０の放射面に、振動板と僅かな隙間Ｇを設けて、無数のチューブ状のダクトで構成した拡散抑制ダクト装置１２０を装着した。隙間Ｇの周辺は、シール材１４０で覆われる。
この装置によって、ダクト１２０の内部の空気が振動板１１０の音圧によって振動し、ダクト１２０の内部に音圧が導入される。ダクトは平行で、細くて長いので、一般的な“メガフォン”が持っている効果と同じく、音波Ｓがダクトの内面に反射して、お互いにぶつかり合った音波は干渉し合い、さらに反射を繰り返しながら干渉し合って背面Ｂから放射される。この過程において音波はダクトの方向に方向付けされる。
この現象は、金属鏡面のハニカムコアの内面を進む光が、反射し干渉し合って方向付けされる原理と似ている。

この装置によって、低音域音響の放射拡散が抑制されるので、振動板パネル１１０における低音域の背面Ｂから前面Ｆへの回り込み現象が抑制でき、音楽用フラットパネルスピーカーの低音域特性を改善することができた。
中音域の音響放射においても拡散を抑制することによって、方向性を与えることができたので、案内放送の区域制限が可能となり、到達距離の延伸も可能となった。
拡散抑制ダクト装置１１０のチューブの断面形状は、円形、６角形、４角形を問わない。

図２、図３は、ダクトのチューブ形状の具体的な構造を示す。
図２は、フラットパネルスピーカー２００の振動板２１０に対して、隙間Ｇを介して取り付けられるダクト２２０をハニカムコアで構成したものである。隙間Ｇの周囲はシール材２４０で覆われる。
図３に示すように、ハニカムコアのダクト２２０にかえてロールコア３２０のダクトを用いることもできる。
具体的には、スピーカーの使用目的によってチューブの長さと太さの選択が必要となる。チューブが細いと高音域の反射などが出て振動板に影響を与えて音質を阻害する。

振動板パネル２１０、３１０と拡散抑制ダクト装置２２０、３２０との間隔Ｇは狭い方が効果が大きいことが想定されたので、間隔を種々変化させて実験した。
実験では隙間を狭くすると、隙間から洩れる音波も少なくなるので、方向付けの効果が大きいことが確認されたが、振動板の振幅から２ｍｍ程度が限度である。
さらに実験を進めて、隙間を設けずに振動板２１０、３１０にダクト２２０，３２０を直接装着する方法も試みたが、ダクト中の空気が振動板と一緒に振動し、ダクト中を音波が走らないので、音波の反射や干渉が起きないため、音波に方向性を与えることができないことが確認された。
さらには、振動系の質量が増すために高音域の音響特性が悪化する。
振動板パネル２１０、３１０と拡散抑制ダクト装置２２０、３２０の隙間Ｇから音波が洩れないよう、周囲をスポンジ状のゴム材２４０、３４０などでシールすることが必要である。

［発明の実施の形態−１］
図４によって、本発明のより具体的な形態について説明する。
図４は、室内で音楽を聴く目的のフラットパネルスピーカー４００を示し、パネル状の振動板４１０の矢印Ｂで示す裏面（背面）に隙間Ｇを設けてロールコアを使った拡散抑制ダクト装置４２０を装着した形態で、図４（ａ）、（ｂ）は見取り図を、図５は断面図を示している。
発明の実施の形態−１における振動板パネル４１０のサイズは高さ４０センチ、幅６０センチである。
振動板パネル４１０に装着した加振器４５０が振動板を加振する。拡散抑制ダクト装置４２０は、多数のチューブ効果を発揮して、振動板パネル４１０から後方に放射される音波に方向性を与える。
方向性を与えられた音波は、後方に向かってしばし直進するので、背面から前面への回り込みが抑制され、音圧の打ち消し合いが低減して、低音域の音圧レベルが向上する。
目的に合わせてコアの厚さ（チューブの長さ）とセルの太さ（チューブの太さ）の選択が必要となるが、この実施の形態では、全体の厚さ（奥行き寸法）を抑えたいので、チューブの長さをどこまで短くできるかを試した。
コアの厚さ（チューブの長さ）を２０ｍｍから９０ｍｍまで、セルサイズは３．２ｍｍから１２ｍｍまで、種々な組合せで試験を重ねた。
結果として、コアの厚さ（チューブの長さ）を４０ｍｍ、チューブ径（コアのセルサイズ）は８．４ｍｍとして好結果を得た。
ハニカムコア、ロールコア、いずれの場合もセルサイズ（チューブの太さ）を小さくし過ぎると、チューブ内の音圧が上昇してしまい、また、反射による干渉もあって中音域の音質が低下した。
図６に周波数特性における改善を示す。図の（ｂ）は改善前、（ａ）はハニカムコアによる低音域の改善状態を示す。５０Ｈｚから３００Ｈｚの範囲で、１０ｄｂ程度の改善が見られた。
なお、図に記載された６０４０の数字は振動板のパネルサイズが高さ４０ｃｍ、幅６０ｃｍであることを示す。

［発明の実施の形態−２］
図７、図８は、屋外ステージ用のフラットパネルスピーカー５００の例を示し、スピーカー振動板パネル５１０の前面に、ハニカム状の拡散抑制ダクト装置５２０隙間５４０を介して装着した例で、スピーカー前方の音響放射を必要以上に拡散させないので、聴取領域外の騒音を低減するとともに、聴取領域における音圧レベルを向上させて、音響特性（音質）を改善している。
振動板５１０は円形で、サイズは直径２０センチで、加振器５５０で加振される。
この場合のダクト５２０は、チューブ長さ（コアの厚さ）８０ｍｍ、チューブ径（コアのセルサイズ）は８．４ｍｍとして好結果を得た。

［発明の実施の形態−３］
図９は、本発明を壁掛けスピーカー６００に適用した形態で、拡散抑制ダクト装置６２０を構成するハニカムコアを斜め４５度に切断して使用したもので、音波を部屋の壁面Ｗ１で反射させず、反射波をスピーカー両端に導き、端部から拡散させて放出する形態である。
従来から、厚さを取らないフラットパネルスピーカーの特性を活かして、「壁掛けスピーカー」が求められて来たが、振動板が部屋の壁面に接近すると、壁面からの反射音圧が振動板に作用して振動板を逆に振動させ、結果的に反射音を前面へ放射するので、放射音響の音質を阻害する。
このため、振動板と壁面の間隔を少くすることが出来ないので、スピーカーの厚さを薄くすることが出来なかった。
この実施の形態−３の適用によって、壁面に振動板を近接させても、壁面からの反射による悪影響を低減することが出来た。

［発明の実施の形態−４］
図１０は本発明を映像スクリーン７６０の下端に装着するスピーカー７００に適用した形態で、実施の形態−３と同じくハニカムコアを斜め４５度に切断した拡散抑制ダクト装置７２０を背面に装着している。
加振方法、隙間を設けることなどは、これまでの実施の形態と同じである。
振動板７１０の背面から放射される逆位相の音波は、映像スクリーン７６０の裏面に放射されるので壁面Ｗ１の反射がなくなり、反射音の悪影響を避けることが出来た。同時に低音域の回り込みも削減できたので、豊富な低音特性を得ることが出来た。
映像スクリーンのみならず図示しないホワイトボードパネルなどにも適用可能である。

［発明の他の実施の形態］
図１１のスピーカー８００は、振動板パネル８１０の両面に拡散抑制ダクト装置８２０、８２２を装着して効果の増大を図った例である。
駅のプラットフォームの案内など、区域を限定した案内放送に適している。
図１２のスピーカー９００は、振動板パネル９１０に曲面とした拡散抑制ダクト装置９２０を装着して、中高音域の指向性をさらに強くした例である。

本発明の原理図 ハニカムコアをダクトとして使った例 ロールコアをダクトとして使った例 本発明の実施の形態−１の室内用パネルスピーカーの図 本発明の実施の形態−１の室内用パネルスピーカーの断面図 周波数特性を示す図 本発明の実施の形態−２の屋外用パネルスピーカーの図 本発明の実施の形態−２の屋外用パネルスピーカーの図 本発明の実施の形態−３の壁掛けスピーカーの図 本発明の実施の形態−４のスクリーン用スピーカーの図 他の実施の形態を示す図 他の実施の形態を示す図 音波の伝播の概念図 音波の回り込み現象を示す図 音波の拡散を示す図 各種スピーカーボックスの構造を示す図 各種スピーカーボックスの構造を示す図 フラットパネルスピーカーを示す図 フラットパネルスピーカーの特性を示す図

符号の説明

１００ フラットパネルスピーカー
１１０ 振動板パネル
１２０ ダクト
１４０ シール材
Ｇ 隙間

Claims (2)

1. 振動板パネルと、振動板パネルに装備される加振器と、振動板パネルの両方の音響放射面に対して隙間を介して配設される多数のチューブ状のダクトで構成される音響拡散抑制ダクト装置と、音響拡散抑制ダクト装置の周囲と振動板パネルとの間の隙間を封止する弾性材製のシール部材とを備えるフラットパネルスピーカー。
2. チューブ状のダクトは、ハニカムコアで形成される請求項１記載のフラットパネルスピーカー。

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