JP6418369B2 - スピーカシステム - Google Patents

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Description

本発明は、スピーカシステムのキャビネット形状に起因する音圧周波数特性の乱れの抑制に関するものである。
近年、テレビセットでは液晶画面の薄型化や有機ELの実用化でテレビ本体の薄型化が進み、これに伴って、テレビセットに搭載されるスピーカシステムも薄型となってきている。しかし、薄型スピーカシステムではキャビネット内部を進行する音の伝達方向が、その厚みで制限され、キャビネットの対向する壁面と壁面との間で生じる定在波の影響が、従来の直方体のキャビネットに比べて大きくなる。その結果、スピーカシステムとしての音圧周波数特性に大きな山谷が生じる。
この課題を解決する従来技術として、特許文献1に示されるスピーカシステムがある。図13は、特許文献1に記載されている従来スピーカシステムの断面図である。図13に示されるスピーカシステムは、直方体のスピーカキャビネット60と、スピーカユニット63と、第1の音響管64a、64bと、第2の音響管66a、66bとで構成される。
スピーカキャビネット60は、上面板61aと、下面板61bと、側面板62a、62b、62c、62dとで構成される。第1の音響管64a、64bの開口部には、吸音材65a、65bが設けられている。第2の音響管66a、66bの開口部には、吸音材67a、67bが設けられている。
以上のように構成された従来スピーカシステムの動作を説明する。スピーカキャビネット60の側面板62bに取付けられたスピーカユニット63に電気信号が入力されると、スピーカキャビネット60の内部にも音が放射される。この時、スピーカキャビネット60の長手方向で対向する上面板61aと下面板61bとの間で定在波が生じる。この定在波は、まず上面板61aと下面板61bとの間の距離の1/2に相当する波長の周波数fで生じる。
そこで、スピーカキャビネット60の側面板62a、62dのコーナー部、及び側面板62a、62bのコーナー部には、第1の音響管64a、64bが配置される。この第1の音響管64a、64bは、下面板61bに対して垂直方向で、下面板61bから隙間Xを保ち、さらにその開口部に吸音材65a、65bを設けた終端閉止の音響管である。また、第1の音響管64a、64bの長さは、周波数fで生じる定在波の波長の1/4と等しい長さである。そして、周波数fの定在波は、第1の音響管64a、64bにより吸収され、抑制される。
次に、上面板61aと下面板61bとの間の距離に相当する波長の周波数f(fの2倍)で同様に定在波が生じる。周波数fの定在波は、同様な構成でスピーカキャビネット60の側面板62c、62bのコーナー部、及び側面板62c、62dのコーナー部に設けられた第2の音響管66a、66bで抑制するものである。この場合、第2の音響管66a、66bの長さは、第1の音響管64a、64bの1/2(すなわち、周波数fの定在波の波長の1/8)である。
この結果、第1の音響管64a、64bは、周波数fの2n−1(n=1、2、3・・・)倍の周波数の定在波を抑制する。また、第2の音響管66a、66bは、周波数fの2(2n−1)倍の定在波を抑制する。これにより、スピーカキャビネット60の定在波に起因する音圧周波数特性の乱れを低減する。
特開2000−125387号公報 特開2009−55605号公報
しかしながら、特許文献1で構成されるスピーカシステムでは、異なる周波数f、fの定在波に対して、スピーカキャビネット60の内部に異なる長さの第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bを設ける必要がある。また、内部スペースが狭い薄型のスピーカキャビネット60の内部に長さの異なる2種類の第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bを配置することは、スピーカキャビネット60の内部スペース的にも困難である。
さらに、低音域の再生限界周波数はスピーカキャビネット60の内部容積により決定される。すなわち、スピーカキャビネット60の容積が大きい方が有利である。この場合、第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bの内部容積もスピーカキャビネット60の容積として動作するものであるが、第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bの開口部に吸音材65a、65b、67a、67bを設けているため、低音域の音の一部は、吸音材65a、65b、67a、67bを通過する。これにより、低音域では吸音材65a、65b、67a、67bによる制動効果が顕著であり、低音域の音圧レベルを低下させるという課題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、低音域の音圧レベルを低下させることなく、定在波の発生を抑制することのできるスピーカシステムを提供することを目的とする。
本発明の一形態に係るスピーカシステムは、スピーカキャビネットと、前記スピーカキャビネットの壁面に取り付けられ、音を出力するスピーカユニットと、一端が開放、他端が閉止され、開放された前記一端が前記スピーカキャビネットの内部空間と接続する音響管とを備え、前記音響管の音響インピーダンスのインダクタンス成分及び前記スピーカキャビネットの音響コンプライアンスによって定まる共振周波数は、前記スピーカキャビネットに取り付けられた状態の前記スピーカユニットの音圧のピーク周波数に略一致し、前記共振周波数付近において前記インダクタンス成分と前記音響コンプライアンスの共振によって、前記スピーカユニットの振動板の振動が抑制される
また、本発明のスピーカシステムは、スピーカキャビネットと、前記スピーカキャビネットの壁面に取り付けられ、音を出力するスピーカユニットと、一端が開放、他端が閉止された音響管とを備える。そして、前記音響管は、前記音響管の側壁面と、前記スピーカキャビネットの内部に生じる定在波の伝搬方向とが交差するように、前記スピーカキャビネットの内部に配置される。
上記のように音響管を配置することにより、スピーカキャビネット内部の対向する壁面間の距離と、スピーカキャビネット内部に放射される音の波長との関係で生じる複数の周波数の定在波を、抑制することができる。また、定在波が生じる周波数よりも低い低音域では、音響管の容積がスピーカキャビネットの容積として動作し、低音域の音圧レベルを低下させることがない。
一例として、前記スピーカキャビネットは、幅及び奥行に対して高さが高い柱状であってもよい。そして、前記音響管は、前記スピーカキャビネット内部の見かけ上の高さを減じるように、前記スピーカキャビネットの内部に配置されてもよい。
他の例として、前記スピーカキャビネットは、縦及び横に対して厚みが薄い薄型の直方体であってもよい。そして、前記音響管は、前記スピーカキャビネット内部の長手方向の見かけ上の長さを減じるように、前記スピーカキャビネットの内部に配置されてもよい。
また、前記スピーカキャビネットには、バスレフポートが設けられてもよい。
また、前記音響管の音響インピーダンスのインダクタンス成分及び前記スピーカキャビネットの音響コンプライアンスによって定まる共振周波数は、前記スピーカキャビネットに取り付けられた状態の前記スピーカユニットの音圧のピーク周波数に実質的に一致してもよい。
上記構成によれば、スピーカキャビネットに取り付けられた状態のスピーカユニットの共振周波数fの音圧のピークを、スピーカキャビネットの内部に設けた音響管とキャビネットの内部空室との共振によって抑制することができる。その結果、音圧周波数特性に山谷の少ない平坦な特性を得ることができる。
さらに、該スピーカシステムは、位相反転方式のスピーカシステムであってもよい。そして、前記共振周波数は、前記スピーカキャビネットに取り付けられていない状態の前記スピーカユニットの最低共振周波数より高い前記ピーク周波数に実質的に一致してもよい。
また、前記スピーカキャビネットの内部空間容積に対する前記音響管の内部空間容積の比率は、前記スピーカユニットの音圧ピークの帯域幅が大きい程、大きくてもよい。
また、前記音響管は、前記スピーカキャビネットの内壁面と、前記内壁面に連結される仕切板とで構成されてもよい。
また、前記音響管の閉止端には、吸音材が配置されてもよい。
本発明のスピーカシステムによれば、スピーカキャビネット内部の対向する壁面間の距離と、スピーカキャビネット内部に放射される音の波長との関係で生じる複数の周波数の定在波を、抑制することができる。また、定在波が生じる周波数よりも低い低音域では、音響管の容積がスピーカキャビネットの容積として動作して低音域の音圧レベルを低下させることがない。その結果、低音域の音圧レベルを低下させることなく、定在波による再生音圧の乱れが少ない高音質スピーカシステムを実現できるものである。
図1Aは、実施の形態1におけるスピーカシステムの平面図である。 図1Bは、実施の形態1におけるスピーカシステムの断面図である。 図2は、実施の形態1におけるスピーカシステムの音圧周波数特性を示す図である。 図3Aは、実施の形態2におけるスピーカシステムの平面図である。 図3Bは、実施の形態2におけるスピーカシステムの断面図である。 図4は、実施の形態2におけるスピーカシステムの音圧周波数特性を示す図である。 図5Aは、実施の形態3におけるスピーカシステムの平面図である。 図5Bは、実施の形態3におけるスピーカシステムの断面図である。 図6は、実施の形態3におけるスピーカシステムの音圧周波数特性を示す図である。 図7は、実施の形態3におけるスピーカシステムの等価回路図である。 図8は、実施の形態3におけるスピーカシステムの吸音材の位置を変化させた場合の音圧周波数特性を示す図である。 図9は、実施の形態1におけるスピーカシステムの音圧歪周波数特性を示す図である。 図10は、実施の形態4におけるスピーカシステムの断面図である。 図11は、従来バスレフ方式スピーカシステムの音圧周波数特性を示す図である。 図12は、実施の形態4におけるスピーカシステムの音響管の容積比を変化させた場合の音圧周波数特性を示す図である。 図13は、従来スピーカシステムの断面図である。 図14は、従来スピーカシステムの断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1におけるスピーカシステムを図1A及び図1Bに示す。図1Aは、本実施の形態1におけるスピーカシステムの表面の一部を切り欠いた平面図である。図1Bは、図1AのA−Bで切断した断面図である。図1A及び図1Bに示されるスピーカシステムは、直方体の薄型のスピーカキャビネット1と、スピーカキャビネット1の内部に配置される仕切板8a、8bと、スピーカユニット9とで構成される。
スピーカキャビネット1は、前面板2と、背面板3と、長辺方向の側面板4、5と、短辺方向の側面板6、7とで構成される。スピーカユニット9は、スピーカキャビネット1の前面板2に取付けられる。仕切板8aは、スピーカキャビネット1の前面板2、背面板3、及び短辺方向の側面板6に連結されている。一方、仕切板8bは、スピーカキャビネット1の前面板2、背面板3、及び短辺方向の側面板7に連結されている。また、仕切板8a、8b、前面板2、背面板3、及び側面板6、7で、スピーカキャビネット1の内部に音響管11が構成される。この音響管11は、一端(開口部12)が開放され、他端(終端部13)が閉止されている。
以上のように構成されたスピーカシステムについて、図2の音圧周波数特性を用いてその動作を説明する。スピーカキャビネット1の前面板2に取り付けられたスピーカユニット9に電気入力が印加されると、振動板が振動して音が放射される。その際にスピーカキャビネット1の内部空間に放射された音は、仕切板8a、8bで構成される音響管11内にも伝達される。ここで、音響管11の終端部13は閉止されており、スピーカキャビネット1の内部の音が音響管11から外空間に放射されるものではない。
以上のように、本実施の形態1が従来のスピーカシステムと大きく異なるのは、スピーカキャビネット1の内部に音響管11が配置されているところである。そこで、従来の密閉方式の薄型スピーカシステムと比較してその動作を説明する。
ここで、図1A及び図1Bの実施の形態1におけるスピーカキャビネット1の内寸は、縦410mm、横210mm、厚み10mmである。また、動電型のスピーカユニット9は、口径8cm、厚み12mmである。さらに、仕切板8a、8bは、長さ180mm、お互いの間隔は30mmである。
すなわち、実施の形態1におけるスピーカキャビネット1は、縦寸法及び横寸法に対して厚み寸法の薄い直方体である。すなわち、長手方向の寸法(縦方向)に対する厚み寸法の比は410/10=41であるが、この比は10以上、より好ましくは20以上のスピーカキャビネット1に、下記のように音響管11を配置するのが望ましい。
実施の形態1における音響管11は、スピーカキャビネット1の内部の長手方向(この例では縦方向)の見かけ上の長さを減じるように配置される。言い換えれば、音響管11は、音響管11の側壁面(仕切板8b)と、スピーカキャビネット1の内部に生じる定在波の伝搬方向(長手方向)とが交差(直交)するように配置される。
図1A及び図1Bで示すスピーカシステムにおいて、音響管11を設けない従来の密閉型スピーカシステムの音圧周波数特性を図2の特性Iで示す。この場合、スピーカキャビネット1の長辺方向で対向する側面板4、5の間で定在波が生じて、400Hz付近に音圧の山谷があり、音圧周波数特性を大きく乱している。
次に、実施の形態1における音響管11をスピーカキャビネット1の内部に設けた場合の動作を説明する。仕切板8a、8bは、スピーカキャビネット1の長辺方向の1辺を構成する側面板4に沿ってほぼ平行に、すなわち、音響管11がない場合に、長辺方向の側面板4、5との間で生じる定在波モードの方向とはほぼ垂直な方向に一端が開放、一端が閉止された音響管11を構成する。
この結果、スピーカキャビネット1の内部は、音響管11の存在する空間と、スピーカユニット9の背面容積10とに音響的に分割される。なお、スピーカユニット9の背面容積10とは、スピーカキャビネット1の内部空間のうちの仕切板8a、8bで囲まれた空間(すなわち、音響管11)を除く空間の容積を指す。
これにより、スピーカユニット9からの音は、背面容積10に放射された後で、音響管11に伝達されることになる。ここで、仕切板8a、8bの間隔が30mmと狭いので、音響的にみれば、背面容積10に細長い音響管11が取り付けられた構成とみなせる。より具体的には、実施の形態1における音響管11は、仕切板8a、8bにより折り返される音の通過路として、その全長が約400mm、断面は長方形であるがこれを等価的に円とみなせば直径が約φ20mmとみなせる。
これにより、スピーカキャビネット1の長辺方向で対向していた側面板4、5の間には、背面容積10と音響管11とが併存することになる。図2の特性IIは、本実施の形態1のスピーカシステムの音圧周波数特性である。特性IIを参照すれば明らかなように、特性Iで示した音響管11がない場合は生じていた400Hz付近の定在波をなくすることができる。一方、新たに構成された音響管11の影響で生じる共振は、250Hz付近にわずかな音圧の谷としてみられるが、スピーカシステムとして音圧周波数特性を大きく乱すものではない。
さらに、図2の音圧周波数特性を詳細に見れば、従来スピーカシステムの特性Iでは、400Hzの2倍となる800Hz付近にも音圧の山谷がある。この周波数は、引用文献1で記載される周波数f=400Hzの2倍となる周波数fに相当する定在波の影響によるものである。本実施の形態1の特性IIでは、800Hz付近には山谷がなく平坦な特性となるものである。すなわち、1つの音響管11により、周波数fのみならず周波数fの定在波も抑制されていることがわかる。
以上のように、本実施の形態1によれば、スピーカキャビネット1の内部で発生する複数個の定在波による音圧周波数特性の乱れが非常に少ない高音質のスピーカシステムが実現できるものである。また、引用文献1のように音響管11の開口部12に吸音材を設けることがないため、スピーカキャビネット1内の音が吸音材で制動されることがなく、特に低音域での音圧レベルが低下することがない。
なお、追加として図1A及び図1Bに示すように、音響管11の終端部13に吸音材100を配置してもよい。これにより、音響管11による250Hz付近の共振が大きい場合は、より効果的に共振を抑制して平坦な音圧周波数特性とすることができる(図2の特性IIで示す音圧周波数特性では吸音材100は配置されていない)。この場合、スピーカキャビネット1の内部に吸音材100が存在することとなるが、吸音材100は、音響管11の閉止された終端部13に位置するため、音の通過が少なく、吸音材100の吸音効果による低音域の音圧レベル低下はわずかである。
なお、本実施の形態1では、音響管11を長辺方向の側面板4の近傍に設けたが、さらに、側面板4と対向する側面板5の付近に併設してもよい。この場合、長辺方向で対向する2つの対向面が音響管11で構成されるため、定在波の発生は片側に配置した時よりさらに効果的に抑制できるものである。
なお、上記の例では、縦寸法及び横寸法に対して厚み寸法の薄い直方体のスピーカキャビネット1に音響管11を配置したが、これに限ることなく、例えば、幅寸法及び奥行寸法に対して高さが高い柱状のスピーカキャビネットの内部に音響管を配置してもよい(以降の実施の形態も同様)。この場合、音響管は、スピーカキャビネット内部の見かけ上の高さを減じるように、スピーカキャビネット内部の上面板又は下面板の近傍に配置すればよい。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2におけるスピーカシステムを図3A及び図3Bに示す。図3Aは、実施の形態2におけるスピーカシステムの表面の一部を切り欠いた平面図である。図3Bは、図3AのC−Dで切断した断面図である。図3A及び図3Bに示されるスピーカシステムは、直方体の薄型のスピーカキャビネット20と、仕切板27a、27b、27c、29と、音響管28と、音響ポート30と、前面板21に取り付けられたスピーカユニット31とで構成される。
スピーカキャビネット20は、前面板21と、背面板22と、長辺方向の側面板23、24と、短辺方向の側面板25、26とで構成される。仕切板29は、側面板25と平行に設けられる。そして、音響ポート(バスレフポート)30は、前面板21、背面板22、側面板25、及び仕切板29で構成される。さらに、音響管28は、仕切板27a、27b、27c、前面板21、背面板22、側面板26、側面板23、及び仕切板29で構成され、一端が開放、他端が閉止されている。
以上のように構成されたスピーカシステムについて、図4の音圧周波数特性も併用してその動作を説明する。実施の形態1と異なるのは、スピーカシステムの方式が密閉型からバスレフ方式に変わった点である。
まず、スピーカキャビネット20の前面板21に取り付けられたスピーカユニット31に電気入力が印加されると、振動板が振動して音が放射される。その際にスピーカキャビネット20の内部空間に放射された音は、仕切板27a、27b、27c等で構成される音響管28内にも伝達される。ここで、音響管28の終端部は閉止されており、スピーカキャビネット20内の音が音響管28から外空間に放射されるものではない。
以上の動作は実施の形態1と同様であるが、本実施の形態2におけるスピーカシステムは、仕切板29により、スピーカキャビネット20に音響ポート30が構成されたバスレフ方式となっている。すなわち、音響ポート30とスピーカキャビネット20の内部の容積との音響共振により、実施の形態1よりも低音域の音圧レベルは増大する。
実施の形態2の効果を説明するため、図3A及び図3Bのスピーカキャビネット20から音響管28を取り去った従来のバスレフ方式のスピーカシステムの音圧周波数特性と比較する。実施の形態2が従来のスピーカシステムと大きく異なるのは、スピーカキャビネット1の内部に音響管11が配置されているところである。そこで、従来のバスレフ方式の薄型スピーカシステムと比較してその動作を説明する。
ここで、実施の形態2におけるスピーカキャビネット20の内寸は実施の形態1と同様に、縦410mm、横210mm、厚み10mmである。また、動電型のスピーカユニット31は、口径8cm、厚み12mmである。また、仕切板27a、27b、27cは、長さ88mm、お互いの間隔は30mmである。さらに、音響ポート30の全長は、130mmである。
そして、実施の形態2における音響管28は、スピーカキャビネット20の内部の長手方向(この例では縦方向)の見かけ上の長さを減じるように配置される。言い換えれば、音響管28は、音響管28の側壁面(仕切板27c)と、スピーカキャビネット20の内部に生じる定在波の伝搬方向(長手方向)とが交差(直交)するように配置される。
図3A及び図3Bで示すスピーカシステムに音響管28を設けない従来のバスレフ方式のスピーカシステムの音圧周波数特性を図4の特性IIIで示す。特性IIIの80Hz付近は、音響ポート30の共振により音圧レベルが向上しているので、バスレフ方式の効果が得られていることがわかる。一方、スピーカキャビネット20の長辺方向で対向する側面板23、24の間で定在波が生じて、360Hz付近に音圧の山谷があり、音圧周波数特性を大きく乱している。
次に、音響管28をスピーカキャビネット20の内部に設けた本実施の形態2の動作を説明する。仕切板27a、27b、27cは、スピーカキャビネット20の長辺方向の1辺を構成する側面板23に沿ってほぼ平行に配置されている。すなわち、音響管28がない場合に、長辺方向の側面板23、24の間で生じる定在波モードの方向とはほぼ垂直な方向に一端が開放、一端が閉止された音響管28が構成される。
この結果、スピーカキャビネット20の内部は、音響管28の存在する空間とスピーカユニット31の背面容積32と、音響ポート30とに分割される。なお、スピーカユニット31の背面容積32とは、スピーカキャビネット20の内部空間のうちの音響管28及び音響ポート30を除く空間の容積を指す。これにより、スピーカユニット31からの音は、まず背面容積32に放射され、その後に音響管28及び音響ポート30に伝達されることになる。
ここで、音響管28は、実施の形態1と同様に仕切板27a、27b、27cの間隔が30mmと狭いので、音響等価的にみれば、背面容積32に終端が閉止された音響管28と音響ポート30とが取り付けられた構成とみなせる。より具体的には、音響管28は、全長が約480mm、その断面積は等価的に円形としてその直径が約φ20mmとみなせる。これにより、スピーカキャビネット20の長辺方向で対向していた側面板23、24の間には、背面容積32と音響管28とが存在することになる。
図4の特性IVは、本実施の形態2のスピーカシステムの音圧周波数特性である。特性IIIで示した音響管28がない場合には生じていた360Hz付近の定在波を抑制することができる。一方、新たに構成された音響管28による共振は、270Hz付近にわずかに存在するが、スピーカシステムとして音圧周波数特性を大きく乱すものではない。すなわち、スピーカキャビネット20で高音質のスピーカシステムが実現できる。
また、図4の特性IIIで示す音響管28のない場合の特性では、第1次の定在波の周波数f=350Hzの2倍となる周波数f=700Hzに、第2次の定在波の影響で音圧の谷が生じていた。しかしながら、本実施の形態2では、特性IVで示すように、700Hzの音圧周波数特性も平坦となっている。すなわち、本実施の形態2によれば、引用文献1のように、第1次及び第2次の定在波に合わせて、異なる長さの第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bを配置する必要はなく、1つの音響管28で複数個の定在波が抑制されるものである。
ここで、バスレフ方式のスピーカシステムでは、低音域の音圧レベル向上のために、音響ポート30の音響質量とスピーカキャビネット20の容積とで決まる音響コンプライアンスの音響共振が利用される。より低い帯域からの再生には、スピーカキャビネット20の音響コンプライアンスを大きく、すなわちスピーカキャビネット20の内部容積を大きくする必要がある。
本実施の形態2では、音響管28がスピーカキャビネット20の内部に存在することになり、音響容積が狭くなったように考えられる。しかしながら、音響管28の等価的な全長より波長が長い帯域(例えば、100Hzでは1波長が3.4m)よりも周波数が低い帯域では、音響管28の占める空間は、スピーカキャビネット20の容積とみなすことができる。
従って、スピーカキャビネット20の内部容積は、スピーカユニット31の背面容積32と音響管28が占める容積との合成となる。その結果、音響管28がない従来のバスレフ方式のスピーカキャビネット20の容積との差異はなく、スピーカキャビネット20の音響コンプライアンスと音響ポート30の共振とで決定される低音域特性にも差異はほとんど生じない。この結果、スピーカキャビネット20内で生じる複数個の定在波による音圧の乱れが少なく、バスレフ方式で豊かな低音が再生できるスピーカシステムが実現できる。
また、引用文献1のように、音響管28の開口部に吸音材を設けることがないため、スピーカキャビネット20内の音が吸音材で制動されることがない。その結果、特に低音域での音圧レベルが低下することがない。
ここで、スピーカシステムを薄型化するためには、薄型キャビネットに合わせて、これに搭載するスピーカユニットを薄型化する必要がある。現在主流となっているスピーカユニットは、マグネットの磁束をボイスコイルに集中させて駆動力を得る動電型である。
しかし、動電型のスピーカユニットは、薄型化とともに、その磁気回路を構成するマグネットも薄型化され、マグネットの磁気エネルギーが低下する。その結果、ボイスコイルに生じる駆動力が小さくなり、音圧レベルが低下する。さらに、動電型のスピーカユニットの場合、最低共振周波数のQ値は、ボイスコイルが振動することで発生する逆起電力により生じる電磁制動抵抗で制動される。そのため、マグネットの薄型化による磁束の低下で電磁制動力が低下して、スピーカキャビネットに取付けた場合のスピーカユニットの最低共振周波数fOB付近での音圧周波数特性に大きな音圧ピークが生じ、音質劣化の要因となる。
また、薄型スピーカユニットの他の方式として圧電型がある。圧電型のスピーカユニットには、動電型のようなマグネットの磁束を集める磁気回路が存在せず、板状の薄い圧電素子の伸縮で振動板を屈曲させて音を放射する構造である。このため、動電型のスピーカユニットに比べて大幅な薄型化が可能である。しかし、圧電型のスピーカユニットの場合、振動板の板共振のQ値を抑制することは困難であり、最低共振周波数fOB付近に音圧の大きなピークが生じて、マグネットの磁気エネルギーが低下した動電型のスピーカシステムの場合と同様に、スピーカシステムの音圧周波数特性が乱れて音質低下が生じる。
この課題を解決する従来技術として、特許文献2に示されるスピーカシステムがある。図14は、特許文献2に記載された従来スピーカシステムの断面図である。図14に示されるスピーカシステムは、スピーカキャビネット70と、動電型のスピーカユニット71と、音響抵抗部材72と、バスレフポート75とで構成されるバスレフ方式のスピーカシステムである。
以上のように構成された従来スピーカシステムの動作を説明する。スピーカユニット71の振動板背面からの音は、音響抵抗部材72とスピーカキャビネット70とで囲まれる空室の体積73から音響抵抗部材72を通過して、スピーカユニット71の振動板背面と音響抵抗部材72とで囲まれる空室の容積74へと放射される。このとき、音響抵抗部材72の制動作用により、音響抵抗部材72を通過する音は制動され、スピーカユニットの振動板の振動を抑制する。その結果として、スピーカユニット前面から放射されるスピーカシステムとしての音圧が制動される。この制動効果により、スピーカシステムの音圧周波数特性の山谷が平坦化される。
また、特許文献1のスピーカシステムは、上述したように、スピーカキャビネット60を構成する壁面の対向面に生じる定在波の影響で、スピーカユニット63の振動板の動きを阻害して音圧周波数特性が乱れることを防ぐために、第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bの一端に開口部を備える。そして、この開口部を塞ぐ吸音材65a、65b、67a、67bにより、第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bの内部空間とスピーカキャビネット60の内部空間とを隔離する。そして、上記の第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bは、スピーカキャビネット60の内部の1つの壁面に沿って発生する定在波の最低共振モードに対応する波長の略1/(2n)(nは2以上の自然対数)倍の管長を有し、且つ定在波の節の近傍に開口部が位置するように、第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bを設ける構成である。これにより、定在波を抑制してスピーカシステムの音圧周波数特性を平坦化するものである。
しかしながら、特許文献2で構成されるスピーカシステムでは、スピーカキャビネット70に取り付けられた状態のスピーカユニット71の最低共振周波数fOB付近からバスレフポート75の共振周波数fOP付近までの低音域の広い帯域にわたり、制動効果が作用している。特に、スピーカキャビネット70のバスレフポート75の共振周波数fOP付近は、スピーカシステムの低音感を得るには重要な周波数帯域であり、音響抵抗部材72による制動効果で、低音再生限界である共振周波数fOP付近の音圧レベルまで抑制すると、低音感が不足するという課題がある。
また、特許文献1のスピーカシステムでは、スピーカキャビネット60の内部で発生する定在波を第1及び第2の音響管64a、64b、66a、66bの音響共振で抑制して、スピーカユニット63の振動板を動きやすくして、音圧の谷を小さくすることを特徴としている。したがって、スピーカユニット63の最低共振周波数fOB付近のスピーカユニット63の動きを抑えて、音圧ピークを抑制することはできない。
実施の形態3、4は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、低音域の音圧レベルを低下させることなく、スピーカユニットの音圧ピークを平坦化することができるスピーカシステムを提供することを目的とする。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3におけるスピーカシステムを図5A及び図5Bに示す。図5Aは、実施の形態3におけるスピーカシステムの表面の一部を切り欠いた平面図である。図5Bは、図5AのE−Fで切断した断面図である。
図5A及び図5Bに示されるスピーカシステムは、スピーカキャビネット41と、圧電型のスピーカユニット44と、ドロンコーン45と、音響管46と、吸音材40とで構成される。スピーカキャビネット41は、前面板42と、背面板43とで構成される。また、音響管46は、仕切板47a、47bで構成され、一端(開口部48)が開放され、他端(終端部49)が閉止されている。さらに、音響管46の終端部49には、吸音材40が設置されている。
ここで、上記のスピーカシステムは、音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分及びスピーカキャビネット41の音響コンプライアンスによって定まる共振周波数が、スピーカキャビネット41に取り付けられた状態のスピーカユニット44を音圧のピーク周波数に実質的に一致するように設計される。この時のピーク周波数は、スピーカキャビネット41に取り付けられていない状態のスピーカユニット44の最低共振周波数より高い周波数である。すなわち、スピーカユニット44をスピーカキャビネット41に取付けた場合の最低共振周波数fOBにほぼ一致させる。
なお、音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分は、音響管46の長さ(又は、音響管46の断面積)によって変化する。より具体的には、音響管46の長さが長い程、インダクタンス成分も大きくなる。また、スピーカキャビネット41の音響コンプライアンスは、スピーカキャビネット41の容積によって変化する。より具体的には、スピーカキャビネット41の容積が大きい程、音響コンプライアンスも大きくなる。
そして、音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分をM、スピーカキャビネット41の音響コンプライアンスをCとすると、例えば、下記の式1で共振周波数fを得ることができる。すなわち、共振周波数fは、音響管46の長さ(又は断面積)、及びスピーカキャビネット41の容積を調整することにより、任意の値に設定することができる。
Figure 0006418369
以上のように構成されたスピーカシステムについて、図6の音圧周波数特性と図7の等価回路とを用いてその動作を説明する。スピーカキャビネット41の前面板42に取り付けられたスピーカユニット44に電気入力が印加されると、振動板が振動して音が放射される。その際にスピーカキャビネット41の内部空間に放射された音は、スピーカキャビネット41の前面板42に取り付けられたドロンコーン45に伝達される。また、スピーカユニット44の背面からの音は、仕切板47a、47bで構成される音響管46内にも伝達される。ここで、音響管46の終端部49は閉止されており、音響管46から音が外空間に放射されるものではない。
本実施の形態3が、従来のドロンコーン方式のスピーカシステムと大きく異なるのは、スピーカキャビネット41の内部に音響管46が配置されているところである。そこで、従来のドロンコーン方式と比較してその動作を説明する。
ここで、図5A及び図5Bの実施の形態3ではスピーカキャビネット41の内寸は、縦360mm、横210mm、厚み8mmである。スピーカユニット44の寸法は、長さ90mm、幅50mmである。また、ドロンコーン45は、スピーカユニット44とほぼ同じ外寸である。
図5A及び図5Bで示すスピーカシステムにおいて、音響管46を設けない場合、すなわち、従来のドロンコーン方式としての音圧周波数特性を図6の特性iで示す。
図6の特性iにおける低域の再生限界は、ドロンコーン45の共振により、ドロンコーン45の質量と、スピーカキャビネット41の内部空室の音響コンプライアンスとの共振周波数fPP=120Hz付近まで拡大される。一方、200Hzの音圧ピークは、スピーカキャビネット41に取り付けたスピーカユニット44の共振によって生じる。スピーカユニット44は、振動板が板共振するために共振のQ値が高い。そのため、200Hzの音圧ピークは、その前後の帯域の音圧レベルに対して約15dB高く、このままではスピーカシステムの音質を著しく劣化させるものである。
次に、本実施の形態3における音響管46をスピーカキャビネット41の内部に設けた場合の動作を説明する。ここで、仕切板47a、47bの長さLは150mm、音道の幅Wは50mmである。音響管46は、仕切板47a、47bにより構成される折り返し型である。音道の長さは、図5Aの破線で示すように、仕切板47aの端部では円弧状に音が通過すると見なせば、約410mmとなる。したがって、音響管46の容積Vh=0.15リットルを除いたスピーカキャビネット41の容積Vbは、0.45リットルとなる。
図7は、本実施の形態3のスピーカシステムの等価回路である。同図において、Fは駆動力、Zmsはスピーカユニット44の機械インピーダンス、Sdは振動板の面積、Cbはスピーカキャビネット41の容積Vbの音響コンプライアンス、Zhは音響管46を開口部48から見た時の音響インピーダンス、Cdはドロンコーンの音響スティフネス、Mdはドロンコーンの音響質量に相当する。
スピーカユニット(圧電型スピーカ)44の振動板から見たとき、スピーカキャビネット41の音響コンプライアンスCbと、音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分とで共振周波数fPP付近に共振が生じる。この共振は、図7の等価回路からわかるように、並列共振である。そのため、スピーカユニット44の振動板側から見た共振時の音響インピーダンスは非常に大きくなり、スピーカユニット(圧電型スピーカ)44の振動板の振動を大きく抑制する。
図6の特性iiは、スピーカキャビネット41の内部に仕切板47a、47bにより音響管46を構成した時の音圧周波数特性である。スピーカキャビネット41の音響コンプライアンスCbと音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分との共振で、周波数fPP=200Hz付近の音圧周波数特性は、音響管46のない場合の特性iに対して、音圧のピークが大きく抑制され、約6dBの谷が生じている。
次に、音響管46の終端部49付近に吸音材40を配置した時の音圧周波数特性を図6の特性iiiで示す。スピーカキャビネット41の音響コンプライアンスCbと音響管46の音響インピーダンスのインダクタンス成分との共振のQ値は吸音材40により緩和されて、音響管46のみの場合と比較して200Hz付近はほぼ平坦な音圧周波数特性となる。
一方、ドロンコーン45の質量とスピーカキャビネット41の音響コンプライアンスとの共振周波数fPP=120Hz付近の低音域では、音響管46は音響管として作用することはない。したがって、その容積Vh=0.15リットルはスピーカキャビネット41の容積Vb=0.45リットルと合成された1つの容積(Vh+Vb)として作用する。すなわち、従来のドロンコーン方式のスピーカキャビネット容積として作用して、特許文献2のように、スピーカユニット73の背面に配置された音響抵抗部材72の影響で、低域の再生限界である周波数fOP付近の音圧レベルまで低下させて、低音感が不足することがほとんどない。
ここで、音響管46内に配置する吸音材40の位置について説明する。本実施の形態3では、吸音材40は音響管46の終端部49に配置したが、特許文献2のように開口部48に設けた場合と比較する。
図8は、図5A及び図5Bで示したスピーカシステムとほぼ同様な構成で、音響管46がない場合、音響管46を設けて吸音材40を音響管46の終端部49に配置した場合、吸音材49を音響管46の開口部48に配置した場合の音圧周波数特性の測定結果である。
図8を参照すれば、音響管46がない場合の特性ivでは、スピーカユニット44の共振のため200Hz付近に大きな音圧のピークが生じている。
次に、音響管46を設けて吸音材49を音響管46の開口部48に配置した場合の特性vでは、音圧のピークが生じる周波数が250Hz付近まで上昇しており、音圧を平坦化することはできない。これらに対して、音響管46の終端部49に吸音材40を配置した場合の特性viでは、200Hzの音圧ピークは抑制され、平坦な音圧周波数特性が実現されるものである。
この結果より、吸音材40が開口部48にあると、音響管46の音響インピーダンスが変化して共振のQ値を抑制する効果よりも、共振の周波数が変動するという問題が生じる。また、音響管46の開口部48に吸音材40を設けると、吸音材40の制動効果により100Hz付近の低音域の音圧レベルも低下する。すなわち、吸音材40を音響管46の終端部49に配置することが、実施の形態3のスピーカシステムの共振のQ値の抑制、さらには低音域の再生には影響を与えることのない有効な手段であることがわかる。
また、本実施の形態3による高調波歪の低減効果について説明する。図9は、スピーカキャビネット41の内部に音響管46が配置されていない場合と、音響管46を配置した場合とについて、音圧周波数特性と音圧の第2次高調波歪特性とを比較したものである。図9の特性viiは音響管46がない場合の音圧周波数特性、特性viiiは音響管46がない場合の第2次高調波歪、特性ixは音響管46を配置した場合の音圧周波数特性、特性xは音響管46を配置した場合の第2次高調波歪である。なお、音響管46により、200Hz付近の音圧ピークが抑制されることは、上述の説明のとおりである。
ここで、歪特性についてみると、音響管46のない場合の特性ixで示すように、100Hz付近に45dBのピーク状の第2次高調波歪が発生している。しかし、音響管46を設けることにより、特性xで示すように、100Hz付近の第2次高調波歪は約20dB低下している。
これは、音響管46とスピーカキャビネット41の容積との共振で200Hzの音圧ピークを抑制する効果の副次的な作用である。すなわち、振動板の100Hzの振動成分に含まれる200Hzの音圧成分、すなわち第2次高調波成分の振動を音響管46とスピーカキャビネット41の容積との共振による制動効果で抑制するためである。これにより、低域再生限界である100Hzの歪が低減して、より高音質なスピーカシステムが実現されるものである。
なお、本実施の形態3ではスピーカキャビネット41の前面板42と背面板43との間に仕切板47a、47bを設けて音響管46を構成した。しかし、この構成に限られることはなく、丸型など任意の開口形状の音響管46を単独で構成してスピーカキャビネット41の内部に配置すれば、本実施の形態3と同様な効果が得られるものである。
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4におけるスピーカシステムの断面図を図10に示す。図10に示されるスピーカシステムは、スピーカキャビネット50と、動電型のスピーカユニット51と、バスレフポート52と、音響管53と、吸音材56とで構成される。音響管53は、一端(開口部54)が開放され、他端(終端部55)が閉止されており、終端部55に吸音材56が設置されている。
以上のように構成されたスピーカシステムについて、その動作を説明する。実施の形態3と異なるのは、圧電型のスピーカユニット44に代えて動電型のスピーカユニット51を採用した点、ドロンコーン45に代えてバスレフポート52を採用した点である。
まず、ドロンコーン45からバスレフポート52に変わったことで、その動作は大きく変化するものではなく、スピーカキャビネット50の内部空室57の音響コンプライアンスとバスレフポート52の音響質量とで共振が生じて、低音の再生帯域が拡大される。これは実施の形態3と同様な位相反転型スピーカシステムの基本性能である。
一方、圧電型のスピーカユニット44と異なり動電型のスピーカユニット51では、最低共振周波数のQ値は電磁制動抵抗により制動される。しかし、電磁制動抵抗は、ボイスコイルの線長Lと磁束密度Bとの積の2乗(BL)2とに反比例するため、動電型のスピーカユニット51を構成する磁気回路のマグネットが小さくなると、磁束密度Bが小さくなり、Q値の制動が利かなくなる。
図11は、内容積1リットルのスピーカキャビネット50に、8cm口径の動電型のスピーカユニット51を取り付けたバスレフ方式スピーカシステムの音圧周波数特性を、BLの値を変化させて計算により求めたものである。ここで、8cmスピーカのスピーカ定数として、振動系質量は4.5[g]、ボイスコイルインピーダンスは8[Ω]、最低共振周波数は80[Hz]、振動板の有効半径30[mm]としている。
同図において、特性(a)はBL=6、特性(b)はBL=4、特性(c)はBL=2の特性である。BL=6では電磁制動抵抗が大きいために、スピーカキャビネット50に取付けられた状態のスピーカユニット51の共振数周波数f0Bとなる200Hz付近の音圧周波数特性はほぼ平坦である。一方、BL=2となると、共振のQ値の制動が不足して、200Hz付近で約10dBの音圧ピークが生じる。このような、BLが小さくQ値の制動が不足したスピーカであっても、図10で示す本実施の形態4のようにスピーカキャビネット50の内部に音響管53を配置するならば、実施の形態3と同様の効果が得られる。すなわち、音響管53の容積Vhを除いたスピーカキャビネット50の内部空室57の容積Vbの音響コンプライアンスと、音響管53の音響インピーダンスのインダクタンス成分との共振により、動電型のスピーカユニット51の振動板の振動を抑えることができる。さらに、音響管53の終端部55に設けた吸音材56によって平坦な音圧周波数特性を実現することができる。
ここで、音響管53の容積Vhと、音響管53の容積Vhを除いたスピーカキャビネット50の内部空室57の容積Vbとの関係について説明する。200Hz付近の音圧ピークは、スピーカキャビネット50の内部空室57の容積Vpの音響コンプライアンスと音響管53の音響インピーダンスのインダクタンス成分との共振により抑制できるが、音響管53の管径、管長は任意の値に設定可能である。
音響管53の管径、管長が大きくなると、音響管53の占める容積Vhが大きくなり、音響管53の容積Vhを除いたスピーカキャビネット50の内部空室57の容積Vbは小さくなる。上記2つの容積の比Vh/Vbを0.2、0.5、0.8と変化させたときの音圧周波数特性を図12に示す。同図では、音響管53の影響を明確にするために、音響管53の終端部55には吸音材56は配置していない。
図12の特性(d)は音響管53のない場合、特性(e)はVh/Vb=0.2の場合、特性(f)はVh/Vb=0.5の場合、特性(g)はVh/Vb=0.8の場合の音圧周波数特性である。Vh/Vbの比が大きく、すなわち音響管53の管径や管長を大きくして、スピーカキャビネット50の容積に対して音響管53の占める容積の割合が大きくなる程、音圧の谷の周波数帯域幅が大きくなる。したがって、動電型スピーカユニット51の音圧ピークの周波数帯域幅にあわせて、Vh/Vb比を決定すればよい。例えば、スピーカキャビネット50の内部空間容積に対する音響管53の内部空間容積の比率を、スピーカユニット51の音圧ピークの帯域幅が大きい程、大きく設計するのが望ましい。
上記実施の形態は、独立して実施することもできるし、任意に組み合わせてもよい。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
本発明は、特に、薄型化が進むテレビや携帯端末機器、車載用等に搭載されるスピーカシステムとして広範囲な適用が可能である。
1,20,41,50,60,70 スピーカキャビネット
2,21,42 前面板
3,22,43 背面板
4,5,6,7,23,24,25,26,62a,62b,62c,62d 側面板
8a,8b,27a,27b,27c,29,47a,47b 仕切板
9,31,44,51,63,71 スピーカユニット
10,32 背面容積
11,28,46,53 音響管
12,48,54 開口部
13,49,55 終端部
30 音響ポート
45 ドロンコーン
61a 上面板
61b 下面板
64a,64b 第1の音響管
40,56,65a,65b,67a,67b,100 吸音材
66a,66b 第2の音響管
72 音響抵抗部材
73 体積
74 容積
52,75 バスレフポート

Claims (8)

  1. スピーカキャビネットと、
    前記スピーカキャビネットの壁面に取り付けられ、音を出力するスピーカユニットと、
    一端が開放、他端が閉止され、開放された前記一端が前記スピーカキャビネットの内部空間と接続する音響管とを備え、
    前記音響管の音響インピーダンスのインダクタンス成分及び前記スピーカキャビネットの音響コンプライアンスによって定まる共振周波数は、前記スピーカキャビネットに取り付けられた状態の前記スピーカユニットの音圧のピーク周波数に略一致し、
    前記共振周波数付近において前記インダクタンス成分と前記音響コンプライアンスの共振によって、前記スピーカユニットの振動板の振動が抑制される
    スピーカシステム。
  2. 前記スピーカキャビネットは、前記スピーカユニットが取り付けられた前記壁面である第1壁面に対する前後方向の長さに対して、前記第1壁面の長手方向の長さが長い形状を有し、
    前記音響管は、前記スピーカキャビネットの内部において、前記長手方向の見かけ上の長さを減じるように、前記スピーカキャビネットの内部に配置される
    請求項1に記載のスピーカシステム。
  3. 前記スピーカキャビネットは、前記スピーカユニットが取り付けられた前記壁面である第1壁面の長手方向の長さ、及び前記第1壁面の短手方向の長さに対して、前記第1壁面に対する前後方向の長さを示す厚みが薄い薄型の直方体であり、
    前記音響管は、前記スピーカキャビネットの内部において、前記長手方向の見かけ上の長さを減じるように、前記スピーカキャビネットの内部に配置される
    請求項1に記載のスピーカシステム。
  4. 前記スピーカキャビネットには、バスレフポートが設けられている
    請求項2または3に記載のスピーカシステム。
  5. 該スピーカシステムは、位相反転方式のスピーカシステムであり、
    前記共振周波数は、前記スピーカキャビネットに取り付けられていない状態の前記スピーカユニットの最低共振周波数より高い前記ピーク周波数に略一致する
    請求項1に記載のスピーカシステム。
  6. 前記スピーカキャビネットの内部空間容積に対する前記音響管の内部空間容積の比率は、前記スピーカユニット音圧ピークの帯域幅が大きい程、大きい
    請求項1又は5に記載のスピーカシステム。
  7. 前記音響管は、前記スピーカキャビネットの内壁面と、前記内壁面に連結される仕切板とで構成される
    請求項1〜6のいずれか1項に記載のスピーカシステム。
  8. 前記音響管の閉止端には、吸音材が配置されている
    請求項1〜7のいずれか1項に記載のスピーカシステム。
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