JP5898910B2 - 倍音スピーカー - Google Patents
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Description
音楽CDの録音帯域は、人の可聴域を基準として決定されたので、高周波数帯域では、およそ20kHz以上が切り捨てられた。
しかし米国生理学会の専門誌では、可聴域外の音波が可聴域の音波に重畳した場合に、後頭部のα波と脳幹及び視床の局所血流が増大し、聴者が喜ばしい気分になるという、精密な脳生理学的実験に基づく報告がなされている(非特許文献5)。
コーン型振動板を備えたダイナミックスピーカーは、振動板自体の分割共振を起さないように設計されている(非特許文献1、2)ので、音楽CDを再生したとき、音楽CDに録音された周波数帯域の音だけを発生し、それ以外の音は当然発生しない。
図14Aに、440Hzの音声信号によって駆動した市販のダイナミックスピーカー(型QriomSP-250、山善)が発した音波の対周波数パワースペクトルを示した。この図を一見すれば、供給された440Hzの音声信号に対して、ダイナミックスピーカーが、忠実に440Hzの音波のみを発していることが了解されよう。
フラットパネル型スピーカー技術は、平面振動板自体の分割共振によって音波を発生する点において、コーン型スピーカーとは発音原理がまったく異なる。発明者らは、フラットパネル型スピーカーが、録音された音声信号に応じて固有振動する際、録音された音声信号を基音とした倍音をも発生する点に注目した。
しかしながらフラットパネル型スピーカーにおいては、平面振動板は駆動装置によって励起されて自己振動するので、特に低音域での振動の制御が困難である。その困難を打開するために、例えば特許文献3においては、平面振動板の外周部に枠状の立上り周壁を形成することにより、低音域への対応を図っている。また特許文献4においては、平面振動板の振動が大きい「暴れる」箇所に結合部材を取り付けて振動板の暴走を押さえ込み、低音域への適応を図っている。
自動ヴァイオリンは、標準仕様の音楽CDの音声信号で励起した場合、録音された可聴域の音波を発生するのみならず、録音された可聴域の音声信号を基音とした倍音を創生する。当然ながら、この新生倍音には可聴域を超えた帯域の高周波音波も含まれている。従って、20kHz以上の帯域がカットされた音楽CDを音源とした場合でも、録音された20kHz以下の音声信号を基音として、20kHz以上の周波数の倍音を発音する。
この作用により、市販の音楽CDの音声信号によって自動ヴァイオリンを演奏すると、音楽CDにおいて捨象された高周波数倍音を創生し、音楽CDに含まれていた音声信号の再生音波に重畳するので、実際の演奏に接しているかのような、極めてリアリティの高い音を聴取することができる。
図14Bに、440Hzの音声信号によって駆動した自動ヴァイオリンが発した音波の対周波数パワースペクトルを示した。この図を一見すれば、供給された440Hzの音声信号に対して、自動ヴァイオリンが、対応する440Hzの音波のみならず、440Hzを基音とする倍音を発していることが了解されよう。
20kHz以上の帯域の倍音は、録音されていなかった音であり、自動ヴァイオリンの自己振動によって創生された音である。
(1)再生音には、ヴァイオリンの音色が重畳する。このため、ヴァイオリン以外の音源信号を再生すると、僅かではあるが音色が混合する。
(2)ヴァイオリン属楽器は、弦、駒をはじめとして、常時メンテナンスと調節を必要とする多くの部材を具備しており、一般ユーザがスピーカーとして取り扱うには、必ずしも単純ではなかった。
(3)適用するヴァイオリン属楽器は、楽器としての価値が高いものほど良好な再生音を発生するので、スピーカーとしてのコストは必ずしも一般的な普及に適するものとは言えなかった。
ヴァイオリン属楽器は、図12に示したように、表裏2枚のプレートの全周縁部を側板で結合し、駒の左足直下近辺の表板内面に長い棒状の力木を接着し、さらに駒の右足直下近辺の表板内面に魂柱を立てて裏板内面に連結した構成を備え、表板の駒と周縁の間に、f字孔という開口を設けている。
中でも表板の左半分領域の音響特性は、力木接着によって力木のない右半分領域よりもより低音域側へシフトしているので、駒の左半トップに接する低音弦の振動を円滑に受容して振動する。いっぽう表板の右半分領域は、駒の右半トップに接する高音弦の振動を円滑に受けて振動し、直下近辺の魂柱を介して裏板に振動を伝達する。
裏板は、堅い材質のため、高周波数振動によって高音域の発音をするが、低音弦が力強く弾かれた場合には、低周波数振動にも対応して。響きの良い低音を遠距離まで届かせることができる。
以上のように、ヴァイオリン属楽器は、側板と魂柱で連結された表板と裏板とが、相互に拘束し合うのみならず、相互に作用し合うので、1枚のパネルの自由振動を基本とするフラットパネル型スピーカーとは、発音の動作原理がまったく異なる。ヴァイオリン属楽器の表板と裏板は、振動の周波数やエネルギーに応じて極めて巧妙に相互抑制作用と相乗作用と相補作用を発揮するように構成されており、フラットパネル型スピーカーのように低音域で暴走するなどということは勿論一切ない。
本発明は、このヴァイオリン属楽器の基本構成に基づき、新しい発音装置を提案している。
本発明請求項2の倍音スピーカーは、請求項1の倍音スピーカーにおいて、前記駆動装置が、前記駆動装置自体が第1パネル面に直接しない姿勢で第1パネルに固定され、前記第1パネルが、前記駆動装置の両側固定治具間の領域において、前記第1パネルの表裏を貫通する切込み部を備えたことを特徴とする。
図12はヴァイオリンの正面図(A)と断面図(B)である。ヴァイオリンにおいては、弓により弦を擦弦して振動させ、表板に立てた駒を通じて振動を表板に伝える。
駒は音響理論的に独特の形状を備え、弦の張力によって弦と表板の間に挿入・固定されて、2本の足を表板に接触させている。表板の内面において、駒の片足(図で左足)直下近辺には、力木(バスバー)という木製の棒状体が縦方向に沿って接着・固定される。また駒の他の足(図で右足)直下近辺には、魂柱(サウンドポスト)という木製円柱を、直下の裏板内面との間に立てている。魂柱は、表板の振動を裏板に伝達する役割を演じる。
駒の振動は、2本の足を通して表板に伝達される。左足の上部には、ヴァイオリンであれば低音用のG線と中低音用のD線が張られている。また、右足の上部には、中高音用のA線と高音用のE線が張られている。
表板と裏板の全周縁部は、周縁を取り囲んで結合された側板によって相互に連結、固定されている。即ちヴァイオリンにおいては、表板と裏板の周縁部は、相互に固定されることによって振動の拘束端を構成している。このように、ヴァイオリン属楽器は、2枚の振動板が相互に固定されて、相互抑制作用と相乗作用と相補作用を発揮するようにしている。この発音機構は、周縁部を基本的に自由端としたフラットパネル型スピーカーが分割振動を基本とするのに対して、根本的に異なるものである。
低音弦を弾くと、低音弦が振動し、低周波域の振動が駒を介して表板に伝達される。表板周縁部が裏板と結合され、かつ表板内面の駒左足直下付近に力木が固定されているため、表板は強い低周波振動でも暴走することがなく、低周波振動は円滑に表板全体に伝播する。またその一部は、魂柱を通じて裏板に伝達され、裏板を振動させる。低周波振動による裏板の振動は、とくに低音弦が強い力で弾かれたとき、そのエネルギーが多くの比率で裏板に伝達され、堅い裏板が力強く鳴動する。しかしながらそれほど奏力が強くない場合は、低周波振動には比較的柔らかなスプルース材より成る表板が振動し、発音する。
中高音弦を弾くと、中高音弦が振動し、中高周波域の振動が駒を介して表板に伝達される。表板の振動は、表板内面の駒右足直下付近に立てられた魂柱を介して裏板に伝達される。裏板は非常に堅いメイプル材であり、通常は中高音および高音を発する。とくに高音の伸び(遠達性)は、裏板の振動によって実現される。質の高いヴァイオリンの音波は、大ホールの隅々にまで届く。この性能は主として堅く、組織が結晶化した裏板の材質と構成に負うところである。
ヴァイオリンは、奏者がどれだけ力を込めて弾いても壊れることはなく、ましてパネル型スピーカーで見られるような、低音帯域の振動暴走を起すことは絶対にない。この差異は偏に、ヴァイオリン属楽器の卓越した構成に負うものである。
発明者らは、このようなヴァイオリンの構成と機能の関係を参照し、まったく新規な発音装置技術を開発するに到った。
図1において、駆動装置11は、枠体12に固定された第1パネル10の外面に固定され、音声信号に応じて第1パネル10を駆動して振動させる。
第1パネル10の素材には、再生する音声信号の種類に応じて、種々の材質の部材を適用する。その材質や組織構成は、特定の範囲に限定されることはない。即ち、不均質な組織のコア材両面をスキン材で挟持して成る構造を有する部材でもよいし、発泡部材でもよいし、均質な組織を有する木材、あるいは合成繊維素材などが適用できる。
中央部が突出するヴァイオリンの湾曲プレートは、フラットパネルとは異なる独自の分割振動を示し(非特許文献3)、周縁部が拘束されることにより更にその共振モードが変化する。
なお、本発明の実施の形態としての倍音スピーカー1では、貫通する開口を13、14の2個1対としているが、この開口の数及び形状は、再生すべき音声信号の種類に応じて、変更することが好ましく、この図に示された数と形状に限定されるものではない。
駆動装置11は、駆動装置11の筐体を、両側の固定治具15,16がパネルの上下二等分線をまたぐ位置で固定する。これは、それぞれの側の固定治具15あるいは16を、第1パネル10の上下いずれかの半分領域に連結することにより、それぞれの振動特性に応じた振動を誘発するためである。
このため、固定治具の数は第一義的問題ではなく、一般的に、駆動装置の両側固定治具がパネルの半分領域にそれぞれ連結することが重要である。
棒状のバスバー17を固定したことにより、図3における第1パネル10の上半部領域の固有振動は、より低音側にシフトしている。これにより、第1パネル10の下半部領域の固有振動は、相対的により高音側に留まったことになる。また、棒状のバスバー17は、低音域における第1パネル10の暴走を打ち消す作用を持っている。
いっぽう第1パネル10の下半部領域は、棒状のバスバー17がまったくない場合には受容できなかった、固有振動よりも低い周波数の振動がもたらされた場合でも、その主たるエネルギーが上半部領域に誘導されるため、暴走することがない。
第2パネル19の外縁部は、基本的には自由端であるが、本発明のその他の実施の形態について後述するように、再生すべき音声信号の種類に応じて一定の拘束をしてもよい。
駆動装置11(図1)によって駆動された振動は、上下2個の固定治具15,16を介して第1パネル10に伝えられる。上方固定治具15直下近辺の第1パネル10内面には棒状のバスバー17が固定されているため、この近辺の振動領域の振動パタンは、他の領域に比較して、より低音域への対応性が向上している。そのため、低周波振動はより円滑に上方固定治具15を介して第1パネル10に伝えられ、第1パネル10がより低音域に亘って発音することができる。
第2パネル19は、その周縁部が基本的に自由端の性質を有するため、棒状のサウンドポスト18に駆動されて、分割共振を行う。即ち、駆動音声信号を基音として、倍音を発生する。その倍音発生作用は、多くの力学的拘束下にある第1パネル10の倍音発生作用よりも当然優れており、実際、440Hzの音声信号に応じて生成する音波の対周波数パワースペクトル・データによって、その差異が明確に示される(図13)。
図13は、第2パネル19の作用を示すパワースペクトルである。即ち、Aは440Hzの音声信号によって駆動されて、本発明の倍音スピーカー1が発する音波のパワースペクトルであり、Bは440Hzの音声信号によって駆動されて、本発明の倍音スピーカー1から第2パネル19を取り外し、第1パネル10のみが発する音波のパワースペクトルである。この図により、倍音創生における第2パネル19の役割が容易に理解される。
しかしながら、本発明の倍音スピーカー1の駆動装置11が、この形態のスピーカーに限定されるものではないこと勿論である。
図7は、この実施形態の倍音スピーカー3の前面観構成を模式的に説明する図である。
これらの開口の作用は、ヴァイオリン属楽器におけるf字孔に相当するものである。
棒状のサウンドポスト24、25は、棒状のサウンドポスト18と同様に、第1パネル10の振動を第2パネル19に伝達する機能を有するが、それらを固定する位置は、再生すべき音声信号の性質に応じて決定する。これらは、振動伝達機能のほかに、第1パネル10と第2パネル19との連結を安定化する効果をも有する。
図10に示すように、倍音スピーカー6は、駆動装置61の筐体を、両側の固定治具がパネルの上下二等分線をまたぐ位置で、2個の固定治具65.66を介してパネル60の表面から浮いた姿勢で固定し、駆動装置61の一方の固定治具取付け位置近辺の裏面に棒状のバスバー67を固定し、開口部63,64を備え、更に駆動装置の2個の固定治具65.66間に表裏貫通する切込み部68を備え、パネル60の全周縁部を枠体62に固定している。
図11に示すように、倍音スピーカー7は、駆動装置71の筐体を、第1パネル70の内面に、両側の固定治具がパネルの上下二等分線をまたぐ位置で、2個の固定治具75.76を介して第1パネル70の内面から浮いた姿勢で固定し、駆動装置71の一方の固定治具取付け位置近辺の内面に棒状のバスバー77を固定し、駆動装置71の他方の固定治具取付け位置近辺の内面に棒状のサウンドポストの1端をほぼ垂直姿勢で固定し、開口部73,74を備え、更に駆動装置の2個の固定治具75.76間に表裏貫通する切込み部79を備え、第1パネル70の全周縁部を枠体72に固定している。
また棒状のサウンドポストの他端には、第2パネル80の内面をほぼ垂直姿勢で固定することにより、第1パネル70と第2パネル80がほぼ平行的に相対する構成としている。
この実施の形態である倍音スピーカー7は、駆動装置71の取付け位置姿勢以外の要素において、第1の実施形態である倍音スピーカー1と同様であるので、それらの要素についての説明を省略する。
(1)第1パネル10内面に棒状のバスバー17を備えたことにより、第1パネル10は、より低音域の振動を主として駆動装置11の左固定治具15を介して円滑に受容できるようになり、低音域における第1パネル10の暴走課題が解消した。
(2)低音域における第1パネル10の暴走はさらに、振動エネルギーの一部が、棒状のサウンドポスト18を介して第2パネル19に伝達され、第2パネル19の振動に費消されることにより、解消した。第1パネル10と第2パネル19の相乗的かつ相補的作用は、ヴァイオリン属楽器の表板と裏板における相互作用と同様である。
(3)第2パネル19は、中位の振動エネルギー範囲においては、駆動装置11の下方固定治具16を介する第1パネル10下半分領域の振動を受容して主として中高音帯域振動に応じて発音するが、より高位の振動エネルギー範囲においては、より低音域振動にも対応して振動することができ、底力のある音波を発生する。第2パネル19のこの機能は、音響理論上、ヴァイオリン属楽器の裏板の機能と同等(アナロガス)である。
(4)第2パネル19は特に、周縁部が基本的に自由端であることにより、原音を基音とした新生倍音の発生に有効である。
(5)この実施の形態としての倍音スピーカーは、振動理論上無指向性に音波を伝播するため、コーン型スピーカーのようなエンクロージャーを必要としない。従って、エンクロージャーに基づいて発生する位相ずれ等の副作用問題をすべて免れることができた。
(6)この実施の形態としての倍音スピーカーによる音波の伝播は、振動理論上無指向性であるため、ステレオ音声信号再生時に、ステレオ感覚可聴範囲が極めて広い。
(7)駆動装置11として、既成のスピーカーが適用できるので、ソース再生装置、アンプとも、従来品をそのまま適用することができる。
(8)この実施の形態としての倍音スピーカーは、供給された音声信号に含まれた周波数帯域の信号に対応した音波を発生するばかりでなく、供給された音声信号を基音とする倍音を創生する。従って、録音帯域が限定され、高音域がカットされた音源を使用した場合においても、原音と同時に倍音を発生することにより、生演奏をじかに聞くようなリアリティの高い音(再生音+倍音)を聞くことができる。
また図13Bは、実施の形態1の本発明倍音スピーカーから第2パネルを取り外して第1パネルのみとした場合に第1パネルが発した音波の対周波数パワースペクトルである。図9Aとの比較により、実施の形態1の本発明倍音スピーカーにおいて、第2パネルの倍音創生効果が明確に理解できる。
なおこれらのスペクトル収集は、SpeakerCheck tool(音楽研究所)によって440Hz音をPCより発生し、アンプ(型QriomSP-250、山善)で増幅し、実施例1の本発明倍音スピーカーに入力した。また、実施例1の本発明倍音スピーカーが発生した音波は、ボイスレコーダ(型S-20M、オリンパス)で収録し、FFT分析ソフト(wavespectra)によって対周波数パワースペクトルを得た。
10 第1パネル
11 駆動装置
12 枠体
13 開口
14 開口
15 駆動装置上方固定治具
16 駆動装置下方固定治具
17 棒状のバスバー
18 棒状のサウンドポスト
19 第2パネル
Claims (2)
- それぞれが横長の形状を有する第1パネルと第2パネルとを、複数の棒状のサウンドポストのみを介して第1パネルと第2パネルが対面する姿勢で結合することにより、第2パネルの外縁部を自由端となし、
前記第1パネルは、その全周縁部に、剛体より成り、縦枠と横枠が共に外方に向かって湾曲する形状を有する枠体に固定することにより、中央部が外方に向かって突出する立体形状を保持し、
棒状のバスバーを、前記第1パネル長軸に沿う上下二等分線によって分割された第1パネル内面の片側領域に、第1パネルの長軸に平行する姿勢で固定し、
前記第1パネルの外面に、第1パネルを励振(強制振動)するために十分な質量を有する振動部材が音声信号に応じて振動する駆動装置を固定し、
前記第1パネル上の、駆動装置と直近の周縁部との間の領域において、表裏貫通する開口部を備えた構成において、
前記駆動装置は、その両側に備えた固定治具によって、前記第1パネルの上下二等分線をまたぐ位置において第1パネルに固定され、
前記複数のサウンドポストは、剛体より成る振動伝達部材であり、1端が、湾曲した前記第1パネル内面に適合する形状に成形され、
そのうちの1個は、前記第1パネルに固定された駆動装置の、バスバーが固定されていない片側領域に固定された固定治具の直下近辺にあたる内面に固定され、他端が、第2パネルの内面に、それぞれほぼ垂直に固定され、前記駆動装置によって励振された前記第1パネルの振動の前記第2パネルへの伝達を主たる役割とするサウンドポストであり、
またその他のサウンドポストは、第1パネルと第2パネルの分割共振を安定化する位置に固定され、固定位置における前記第1パネルの振動を前記第2パネルに伝達すると共に第1パネルと第2パネルとの連結を安定化する役割を有する補助的なサウンドポストである
ことを特徴とする倍音スピーカー。 - 前記駆動装置は、前記駆動装置自体が第1パネル面に直接しない姿勢で第1パネルに固定され、
前記第1パネルは、前記駆動装置の両側固定治具間の領域において、前記第1パネルの表裏を貫通する切込み部を備えたことを特徴とする請求項1記載の倍音スピーカー。
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