JP6761277B2 - スピーカシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スピーカシステムに関する。

圧電スピーカは、電圧により変形する圧電素子とそれに取り付けた圧電素子用振動板（シム材と呼ぶ）により音を発生するもので、たとえば防犯ブザーや電子機器等の警告音に用いられる。圧電素子自体は非磁性体であるので一般的なダイナミック型のスピーカが使用できないような強磁場環境下での使用、たとえばＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）の中等で使用することが期待される。

ただし、圧電スピーカを含むイヤホンやヘッドホンは音質が悪いという問題がある。

特開２０１０−２２７５００号公報 特許第４５４８７８３号公報

本発明が解決しようとする課題は、音質を改善したスピーカシステムを提供することである。

実施形態のスピーカシステムは、第１信号をフィルタリングして複数の第２信号を生成する複数のフィルタと、少なくとも２つの異なる形状を有する複数の振動板と、前記振動板のそれぞれに設置される加振源と、を有し前記複数の第２信号を音波に変換する複数のスピーカと、を備え、前記振動板の各辺の長さは、１／√２，１／√３，１／√４，１／√５，１／√７，１／√１１・・・のいずれかの値に所定の倍数をかけたものであり、前記複数の振動板において、前記所定の倍数は同じであり、前記振動板のそれぞれの伝達特性は互いに異なり前記伝達特性に対応する前記フィルタのそれぞれは、前記スピーカの合成音波の伝達特性が目標伝達特性に近づくように設定されるスピーカシステムである。

第１の実施形態にかかるスピーカシステムを示す斜視図と断面図である。 背面部２ｂに支持された振動板３を示す図である。 実施例１の形状を示す図である。 実施例１の振動板３−１、３−２から集音部５までの伝達特性Ｐ１及びＰ２のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１のフィルタＨ１及びＨ２の伝達特性のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１の集音部５位置での合成音波の伝達特性のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２の形状を示す図である。 実施例２の振動板３−１、３−２から集音部５までの伝達特性Ｐ１及びＰ２のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２のフィルタＨ１及びＨ２の伝達特性のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２の集音部５位置での合成音波の伝達特性のシミュレーション結果を示す図である。 振動板３に加振源４を貼り付けた一例を示す図である。 ボルト２０とナット２１を用いて加振源４を振動板３に取り付けた一例を示す図である。 図１２の振動板３側のボルト２０の先端に発砲材２２を取付けた一例を示す図である。 第１の実施形態の変形例１にかかるスピーカシステムを示す斜視図と断面図である。 第１の実施形態の変形例２にかかるスピーカシステムを示す斜視図と断面図である。 第２の実施形態にかかるスピーカシステムを示す斜視図と断面図である。 背面部２ｂに支持された形状が異なる３種類の振動板３を示す図である。 第１の実施形態のスピーカシステムを複数並べた一例を示す図である。 スピーカを立体的に配置したときのスピーカシステムを示す斜視図である。 ＭＲＩ装置３１の構成を示す図である。 収納容器３０の斜視図と断面図である。 収納容器３０の側面部の一部に開口部を有する構造の斜視図と断面図である。 収納容器３０に仕切り部３６を設置した一例を示す斜視図と断面図である。 収納容器３０の背面部３０ｂに開口部を更に設けた一例を示す斜視図と断面図である。 図２３の背面部３０ｂの開口部にリブ３７を設けた一例を示す斜視図と断面図である。 図２１、２２、２３、２４、２５に示す収納容器に音波を伝搬させるチューブ３８を設けた形状を示す図である。 仕切り部３６を１つ設けた収納容器３０の一例を示す図である。 音響パワーの低減量を示す図である。 仕切り部３６にガイドあるいは開口部を設けた一例を示す図である。 ２つの制御音源の中心に制御マイク３９を配置した一例を示す図である。 音響パワーの低減効果を示した図である。 制御マイク３９の配置位置を示す図である。 収納容器内の制御マイク３９の設置箇所を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。ここで、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるスピーカシステムの斜視図と断面図である。

本実施形態のスピーカシステム１は、入力信号（ｉｎｐｕｔ）をフィルタリングするフィルタ１２−１、１２−２と、フィルタリングされた信号に基づいて音を発する一対のスピーカ１１−１、１１−２を備える。スピーカ１１−１は、加振源４−１および振動板３−１を含む。スピーカ１１−２は、加振源４−２および振動板３−２を含む。フィルタ１２−１、１２−２は入力信号をそれぞれフィルタリングして加振源４−１、４−２に与えるもので、そのフィルタリング特性を可変できるものが好ましいが、後述するように最適なフィルタリング特性が設定できた場合にはその状態で固定してもよい。スピーカ１１−１、１１−２の伝達特性が互いに異なるものとなるようにするため、振動板３−１と３−２は互いに異なる形状のものを用いると好ましい。スピーカ１１−１、１１−２は収納容器２内に設けられる。

耳を収容するための収納容器２は、さらに振動板３−１、３−２が発する２つの音波を合成する集音部５と、集音部５を設置するホルダ６及びクッション（耳当て）７を含む。

収納容器２は、前面部２ａとそれと対向する背面部２ｂと前面部２ａ及び背面部２ｂを支える側面部２ｃを有する。前面部２ａには、耳等を挿入するための開口部を有する。収納容器２は、例えば箱型構造であり、その内部は基本的に中空である。収納容器２は耳を挿入した状態で基本的に密閉されているため、外部騒音を遮音でき、聴感は良いものとなる。

背面部２ｂに沿って、複数の振動板３を配置する。ここでは、簡単のため２枚の振動板３−１、３−２を上下方向に並べた場合について説明する。

振動板３−１、３−２は、背面部２ｂと例えば別途設けられた押さえ９により挟持するように支持される。背面部２ｂと押さえ９は、振動板３−１、３−２の周辺を挟持するための複数の挟持部８を有する。挟持部８はゴムやパッキン等の弾性部材でも良い。

背面部２ｂ及び押さえ９には、振動板３−１、３−２のそれぞれの面積より若干小さい穴１０が設けられる。この穴１０の数は背面部２ｂに支持される振動板３の数と同一である。これにより背面部２ｂ及び押さえ９により支持した状態で前面及び背面から振動板３−１、３−２を目視することができる。振動板３−１、３−２は、前面部２ａと背面部２ｂの間に位置する。

加振源４−１、４−２は、振動板３−１、３−２に振動を印加するもので、それぞれの振動板３−１、３−２の背面のほぼ中央付近に設置されるのが好ましい。中央以外にも、たとえば、振動板のモードをすべて励起する長辺、短辺１／３の倍数に対応する位置でも良い（（１／３、１／３）、（２／３、１／３）、（１／３、２／３）、（２／３、２／３））。加振源４−１、４−２は、例えばピエゾスピーカ、ピエゾアクチュエータやバイブロアクチュエータなどを用いるのが良い。ピエゾ系のアクチュエータを用いることにより、強磁場環境下でも使用が可能となる。振動板３への加振源４の固定方法については後述する。

ホルダ６は前面部２ａと振動板３の間の中央付近に設置され、ホルダ６に集音部５が固定される。さらにホルダ６は振動板３との距離を調整することができる。集音部５は、後述する、フィルタ１２を作製するための評価用マイクとして使用される。集音部５は、フィルタ１２を作製した後は必ずしも必須の構成ではない。ただし、スピーカシステム１を能動消音システム（ＡＮＣ；Ａｃｔｉｖｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）等として用いる場合、聴取者の外耳道１４での騒音を低減するために集音部５で集音した音波は用いられる。

クッション（耳当て）７は、前面部２ａの開口部を囲うように設置される。クッション（耳当て）７の材料としてはスポンジ等、一般的なヘッドホンに使用されている材料を用いて良い。

スピーカ１１−１、１１−２の２つの場合について説明したが、スピーカは複数あっても良い。

以下に第１の実施形態にかかるスピーカシステム１の周波数特性の平坦化手法を説明する。

図２は、スピーカシステム１が用いられる、背面部２ｂに支持された振動板３とそれに貼り付けられた加振源４を背面側から示した図である。ここでは簡単のためスピーカ１１が２つの場合を説明する。フィルタ等の構成は図１と同様であるので省略した。

本実施形態にかかるスピーカシステム１は、入力信号から出力信号までの周波数特性を平坦化させることができる。既述のように、スピーカ１１−１と１１−２に対応したフィルタ１２−１と１２−２を有するため、スピーカ１１−１に入力される信号は、フィルタ１２−１でフィルタリングされる。また、スピーカ１１−２に入力される信号は、フィルタ１２−２でフィルタリングされる。

フィルタ１２−１、１２−２は、下記式（１）を満たすように設計される。

ここで、Ｈ１、Ｈ２はフィルタ１２−１、１２−２の伝達特性を表す。Ｐ１はスピーカ１１−１から集音部５までの伝達特性を表し、Ｐ２はスピーカ１１−２から集音部５までの伝達特性を表す。目標伝達特性Ｄは、入力信号から出力信号（すなわち、集音部５での合成音波の音圧）までの目標の伝達特性を表す。伝達特性Ｐ１、Ｐ２は事前に測定される。

この場合集音部５は、伝達特性Ｐ１、Ｐ２の測定のために使用する評価マイクとして機能し、フィルタ１２−１、１２−２を設計するために用いられる。集音部５は、聴取者の外耳道１４の入口が位置すると想定される位置に設定するのが望ましい。上述したように、スピーカ１１−１、１１−２は、伝達特性Ｐ１、Ｐ２が互いに異なるように設定される。よって、図２の振動板３−１、３−２の形状はそれぞれ異なる形状となる。

入力信号は、上記式（１）の目標伝達特性に近づくように設計されたフィルタ１２−１と１２−２でフィルタリングされ、それぞれスピーカ１１−１と１１−２に出力信号として出力される。スピーカ１１−１と１１−２は、それぞれの出力信号を音波に変換する。スピーカ１１−１と１１−２から発せられる音波は集音部５が設置される評価点（聴取者の外耳道１４の入口付近）で合成音波として出力される。この合成音波は、目標帯域で目標伝達特性に似た平坦な周波数特性となる。

振動板３の形状が、例えばＮ通り異なる場合はスピーカ１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎから集音部５までの伝達特性はＮ通り存在する。集音部５は、スピーカ１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎから発せられた音波を合成し、合成音波を聴取者の外耳道１４に導く。目標伝達特性をＤとすると。フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎは以下の式（２）を満たすように設計される。

ここで、Ｈｉはフィルタ１２−ｉの伝達特性を表し、Ｐｉはスピーカ１１−ｉから集音部５までの伝達特性を表し、目標伝達特性Ｄは、入力信号から出力信号（すなわち、集音部５での合成音波の音圧）までの目標の伝達特性を表す。伝達特性Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮは事前に測定される。

スピーカ１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎは、伝達特性Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮが互いに異なり、相補的な関係になるように設計される。

一般的に、目標伝達特性Ｄは周波数帯域全体にわたって平坦な伝達特性であることが望ましい。しかしながら、実際には、スピーカ自体の特性や空間特性を考慮して、特定の周波数帯域において平坦な伝達特性となるように目標伝達特性が設定される。例えば、音楽や音声を再生する場合、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの伝達特性が平坦であればよく、平坦な伝達特性の帯域をそれ以上広げる必要はない。また、スピーカシステムをＡＮＣに適用する場合、一般にＡＮＣで低減しようとする騒音信号は低周波であるため、目標伝達特性は１００Ｈｚから２．５ｋＨｚまで平坦な特性を持つように設定すればよい。このように、目標伝達特性は状況に応じて設定される。以下の説明では、目標帯域は１００Ｈｚ以上２．５ｋＨｚ以下の範囲の周波数を平坦化するように設定される。

振動板３の形状が２通りであるとき、フィルタ１２−１、１２−２の伝達特性Ｈ１、Ｈ２が式（１）を満たす場合、入力信号（ｉｎｐｕｔ）から出力信号（ｏｕｔｐｕｔ）までの伝達特性が目標伝達特性に近づく。式（１）を満たす伝達特性Ｈ１、Ｈ２を求める方法としては、例えば、ＭＩＮＴ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｖｅｒｓｅ−ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｍ）などの手法を利用することができる。フィルタ１２−１、１２−２を設計する方法は、ＭＩＮＴを用いる方法に限らず、任意の他の方法であってもよい。

ＭＩＮＴを用いる場合、Ｐ１とＰ２の伝達特性が重ならず互いに相補的な特性関係であることが好ましいため、理想的な目標伝達特性Ｄを得るには振動板の形状、振動板の支持方法、加振源の振動板への固定方法や固定位置を最適とすることが好ましい。

以下に本実施形態にかかるスピーカシステムについて例を挙げて説明する。

図３は、本実施形態にかかるスピーカシステムの実施例１について示す。図３は、スピーカシステムを背面側から図示し、フィルタ等の構成は図１と同様であるため省略した。

スピーカは２つの振動板３−１及び３−２を用いた。振動板３−１の寸法は、５６．６ｍｍ×３５．８ｍｍ×０．２ｍｍ（縦×横×厚さ）とし、振動板３−２の寸法は、４６．２ｍｍ×４０ｍｍ×０．２ｍｍ（縦×横×厚さ）とした。振動板３の材料はＰＥＴ材とし、振動板３の支持方法は４辺単純支持とした。振動板３−１及び３−２の形状は以下の式（３）を用いて算出した。

４辺単純支持の場合の固有角振動数は、以下の式（３）で求まる（ａ、ｂ は辺の長さ、ｍ、ｎはモードを表す整数、Ｄ０、ρは材料固有の値、ｈは厚みとした）。

よって、振動板３の各辺の長さを１／√２，１／√３，１／√４，１／√５，１／√７，１／√１１・・・の内いずれかの組み合わせの倍数（倍率同じ）にすればモード密度が高くなることがわかる。今回の設計では、振動板３−１は、１／√２（縦）、１／√５（横）の０．０８倍とし、振動板３−２は、１／√３（縦）、１／√４（横）の０．０８倍とした。

加振源４の設置位置は振動板３の中央とし、サイズは５ｍｍ角とした。集音部は、背面板中央の高さ３０ｍｍの位置に設置した。

図４は、各振動板３−１、３−２から集音部５までの伝達特性Ｐ１及びＰ２のシミュレーション結果であり、振動板３−１，３−２の最適設計により互いに共振がほとんど重ならず、相補的な関係になっていることがわかる。

図５は、フィルタＨ１及びＨ２の伝達特性のシミュレーション結果であり、図４においてＰ１のゲインがＰ２に比べ高い周波数帯域においてＨ１のゲインがＨ２に比べ高くなっており、Ｐ１のゲインがＰ２に比べ低い周波数帯域においてＨ１のゲインがＨ２に比べ低くなっているため互いに補い合っている。

図６は、フィルタ適用後の集音部５での合成音波の伝達特性のシミュレーション結果である。目標帯域（１００−２５００ Ｈｚ）において目標伝達特性（図中のｒｅｆ）に近い平坦な特性になっていることがわかる。

図７は、本実施形態にかかるスピーカシステムの実施例２について示す。図７は、スピーカシステムを背面側から図示し、フィルタ等の構成は図１と同様であるため省略した。

スピーカとしては２つの振動板３−１及び３−２を用いた。振動板３−１の寸法は、５６．６ｍｍ×３５．８ｍｍ×０．２ｍｍ（縦×横×厚さ）とし、振動板３−２の寸法は、４０ｍｍ×１０ｍｍ×０．２ｍｍ（縦×横×厚さ）とした。振動板３の材料はＰＥＴ材とし、振動板３−１の支持方法は４辺単純支持とした。振動板３−２の支持方法は片側固定で、いわゆる片持ち梁となるように背面板に支持した。振動板３−１の加振源４−１の設置位置は、図７に示す正方形の領域として、中央位置とした。振動板３−２の加振源４−２の設置位置は、短手方向には中央位置として、長手方向には固定端側に寄った位置とした。加振源４のサイズは５ｍｍ角とした。集音部５は、背面板中央に高さ３０ｍｍの位置とした。さらに、振動板３−２は片持ち梁であるため出力音圧が低い。よって、あらかじめ加振源４のゲイン比は振動板３−１と３−２において１：４に設定する。

片側固定端梁の固有角振動数は以下の式（４）のようになるため、４辺単純支持の振動板３−１の固有角振動数と相補的な関係になるように設計した（梁の長さａ、幅ｂ、厚みｈ、面密度ρＳ２、断面二次モーメントＩ）。

図８が、各振動板３から集音部５までの伝達特性Ｐ１及びＰ２のシミュレーション結果である。振動板３−１、３−２の最適設計を行ったが実施例１ほど相補的な関係になっていないことがわかる。

図９が、フィルタＨ１、Ｈ２の伝達特性のシミュレーション結果であり、実施例１に比べ、実施例２では相補関係があまり成り立っていないが、５００Ｈｚ、１５００Ｈｚ、２３００Ｈｚの周波数付近にて振動板３−２が振動板３−１を補っていることがわかる。相補関係があまり成り立っていない理由は振動板３−２自体のモード密度が低いためである。

図１０がフィルタ適用後の集音部５での合成音波の伝達特性のシミュレーション結果であり、目標帯域（１００−２５００ Ｈｚ）において５００Ｈｚ、１５００Ｈｚ、２３００Ｈｚの周波数付近で−１０ｄＢ程度、目標伝達特性（図中のｒｅｆ）から乖離していることがわかる。これは、振動板３−１のノッチ帯域と一致しており、振動板３−２では補えきれなかったことがわかる。実施例１の方が実施例２よりも目標帯域での伝達特性が平坦となっておりスピーカシステムの実施形態としてはより好ましい。

その他に、振動板３が円形形状である場合も考えられる。振動板３の支持方法を周辺単純支持とした場合の固有角振動数は、以下の式（５）により与えられる。式（５）を用いることにより円板形状を最適に設計することができる。

実施例１及び２の結果から、目標帯域におけるフィルタＨ１、Ｈ２の伝達特性のゲイン差を２０ｄＢ以内とし、フィルタ適用後の入出力特性と目標伝達特性との差が１２ｄＢ以内となるように各振動板３の共振周波数を設計するのが良い。

振動板３と加振源４との固定方法について以下に説明する。

図１１は、振動板３の中央に加振源４を貼り付けた側面図であり、最も単純な形式である。加振源４には圧電セラミックを用いた。加振源４の貼り付けには、接着剤や両面テープを用い振動板３と加振源４の接触面全面を接着した。この場合、振動板３の振動モードはシミュレーションの値から大きく変動した。特に、振動板の面積が小さい場合に顕著であった。これは、固定に用いた接着剤や両面テープの影響で振動板がダンピングされて加振源４からの振動が効率良く振動板３に伝達されないため及び、加振源と振動板３が連成して振動するためである。

図１２は、ボルト２０とナット２１を用いて加振源４を振動板３に取り付けた側面図である。振動板３と加振源４の中央にボルトを貫通して、振動板３と加振源４のそれぞれをナットで挟んで固定した。振動板３と加振源４は、ボルト２０を介して離れた位置で固定される。これにより、図１１の場合と比較して、振動板３の中央を効果的に加振することが可能となり、振動板３の振動モードがシミュレーションの値に近づく。このため、振動板３と加振源４の固定方法は図１２の構成とすることが好ましい。

図１３は、図１２の振動板３側のボルト２０の先端にスペーサ２３を設置し、そこに発砲材２２を取付けた一例である。振動板３の面積が小さい場合、５００Ｈｚ以下の低周波の音圧が生じにくいことが多い。これは、面積が小さい振動板の場合低い周波数では空気を揺らすほど振動しないためである。

この点、発泡材２２は、音響インピーダンスが空気と近く放射効率がよいため、低域発音体として適している。発泡材２２を振動板３にそのまま貼り付けると、振動板３の振動を阻害してしまうため、ボルト２０を介して発泡材２２を取付け、振動板３と発泡材２２のそれぞれに加振源４の振動が伝達するようにしている。また、発泡材２２の発音効率は表面積によるため、できるだけ大きな発泡材２２を取り付けることが好ましい。

以上のように本実施形態によると、形状の異なる２つの振動板３−１、３−２を用いて、それぞれの振動板の伝達特性を相補的な関係となるように設計することにより、１つの伝達特性では実現できない伝達特性の帯域を他の伝達特性で補うことができる。すなわち、入力信号から出力信号までの伝達特性が所望する周波数帯域において平坦になるように設計されたフィルタを用いることにより、入力信号の伝達特性と出力信号の伝達特性との間の差を低減することができる。

（第１の実施形態の変形例１）
図１４は、第１の実施形態の変形例１にかかるスピーカシステムの斜視図と断面図である。フィルタ等の構成は図１と同様であるため省略した。

本実施形態は、背面部２ｂと接し振動板３の背面に設置された加振源４を覆うようにキャビティ１５が設置される。キャビティ１５は、例えば背面板２ｂに取り付けられた状態で振動板３と加振源４を背面から密閉する。

キャビティ１５を設置することによって、バッフル効果による音圧を増加することができる。キャビティ１５の形状は、箱型を基本とするが、その他にも円柱型、丸型等、様々な形状をとることができる。その他の構成は第１の実施形態にかかるスピーカシステムと同様である。

（第１の実施形態の変形例２）
図１５は、第１の実施形態の変形例２にかかるスピーカシステムの斜視図と断面図である。フィルタ等の構成は図１と同様であるため省略した。

本実施形態は、収納容器２の背面部２ｂを側面部２ｃから引き離して、背面部２ｂと側面部２ｃの間に空間を設けた。背面部２ｂと側面部２ｃは、それぞれの縁部を複数の支柱１６でつないだ構成とした。支柱１６の数は、背面部２ｂと側面部２ｃ及び前面部２ａを安定して固定できる本数であれば良く通常は４本程度である。これにより収納容器に耳を入れた状態での密閉感を低減することができる。さらに外部音声も取得可能となる。その他の構成は第１の実施形態にかかるスピーカシステムと同様である。

（第２の実施形態）
図１６は、第２の実施形態にかかるスピーカシステムの斜視図と断面図である。フィルタ等の構成は第１の実施形態と同様であるため省略した。

本実施形態は、収納容器２の前面部２ａの開口部を削除して、開口部の代わりにチューブ接続部１７を設けた。チューブ接続部１７にはチューブ１８が設置され、チューブ１８は聴取者の外耳道１４へ音波を伝える。チューブ１８の外耳道１４側の先端には、耳介挿入部１９を設けても良い。耳介挿入部１９はイヤホン等を含む。チューブ１８の先端には、耳介挿入部１９の代わりに耳を覆うイヤマフを設けても良い。

チューブ１８は、音波を伝達することができる中空管を指し、チューブ１８としては、例えば、樹脂などの可撓性材料で形成された柔軟性のあるチューブ１８を用いても良い。チューブ１８が非磁性体で形成される場合、ＭＲＩ装置のような強磁場環境下でも本実施形態にかかるスピーカシステムを使用することができる。

実施形態のスピーカシステムをＡＮＣに用いる場合は、耳介挿入部１９付近に集音部５を設置する。この場合、耳介入口が音圧出力位置となる。

本実施形態は、第１の実施形態と異なり背面部２ｂは耳に取り付けるサイズを考慮する必要がないため、異なる振動特性を有する振動板３を２枚用いる場合、振動板３の大きさを大きくすることができる。これにより、より低い周波数の音を効率的に出力可能となる。

図１７は、それぞれ形状が異なる振動板３−１、３−２及び３−３の３種類用いた場合を示す。図１７は背面側からスピーカシステム１を見た図であり、フィルタ１２等の構成は図示していない。

この場合、目標伝達特性Ｄを得るためのフィルタ１２は以下の式（６）で設計される。

ここで、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３はフィルタ１２−１、１２−２、１２−３の伝達特性を表す。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、各スピーカ１１−１、１１−２、１１−３から集音部５までの伝達特性を表す。目標伝達特性Ｄは、入力信号から出力信号（すなわち、集音部５での合成音波の音圧）までの目標の伝達特性を表す。伝達特性Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は事前に測定される。

このように、それぞれ形状の異なる振動板３−１、３−２及び３−３を用いることによって、ＭＩＮＴをより適用しやすくすることもできる。

図１８は、本実施形態にかかるスピーカシステムを複数並べた一例である。複数のスピーカシステムを用いることで音圧を増大させることができる。たとえば図１８では８つのスピーカシステムを用いているため、おおよそ１８ｄＢ増加を見込める（６ｌｏｇ２Ｎ、Ｎ＝スピーカシステム数）。

また、この場合に用いる振動板３は振動板３−１と３−２の２種類であるため、適用するフィルタ１２−１、１２−２は２つで良い。フィルタ１２−１、１２−２を導出するための伝達特性Ｐ１、Ｐ２は、それぞれの振動板３（スピーカ１１）から集音部５までの伝達特性である。フィルタ１２−１、１２−２は式（１）を満たすように設計される。

さらに、図１９は、背面部２ｂに設置されたスピーカ１１−１と１１−２を立体的に配置したときのスピーカシステムを示す図である。図１９（ａ）は、６面体（４角柱）の対向に２つ配置した場合を示す。図１９（ｂ）は、６面体（４角柱）の側面に４つ配置した場合を示す。チューブ１８の一端は６面体の中央に繋がれる。

図１８に示すように単に複数のスピーカシステムを平面で並べる構成だと、各スピーカ１１から集音部までの距離が異なり、音圧増加効果が減少するが、図１９のような構成では、各スピーカ１１から集音部までの距離が同一距離であるため見込み通りの音圧増加効果を達成できる。

なお、図１９では形状を４角柱としているが、それ以外にも多角柱の形状とすることもできる。また、共鳴や励振を防止するために中に吸音材を入れることもできる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、ＭＲＩ装置内で用いる場合の耳の収納容器３０の形状について説明する。

図２０は、ＭＲＩ装置３１の簡単な構成を示したものである。ＭＲＩ装置３１は、被験者３２が入る円筒型のボア３３と、寝台３４を含む。被験者３２は寝台３４に横になった状態で検査される。

第１及び第２の実施形態にかかるスピーカシステムは、上記ＭＲＩ装置の中でも用いることができる。また、ＭＲＩ装置内に振動板３を設けることで、ＭＲＩ装置内での騒音防止のＡＮＣ等として機能することが期待される。

本実施形態は、例えばＭＲＩ装置３１のボア３３に２つの異なる形状を有するスピーカ３５−１、３５−２を左右の耳用に２組設置した。スピーカ３５は、振動板と加振源とから構成される。スピーカ３５−１と３５−２で振動板の形状はそれぞれ異なる。加振源は、ピエゾスピーカ等の圧電素子であることが好ましい。

被験者３２の耳を覆う収納容器３０に設置した集音部５で、上述したフィルタ１２−１、１２−２を調整する構成としている。図中のＬは、左側を意味しており、Ｒは右側を意味している。フィルタ等の構成は第１の実施形態と同様であるため省略した。

スピーカ３５の並べ方はボア３３の円周方向に並べる以外にもボアの奥行方向に並べる方法やボア端面に配置する方法でもよい。さらにスピーカ３５は２つ以上であっても良い。上記異なる形状を有する２つのスピーカ３５−１、３５−２を１組とした時、これをＮ組並べた場合は６ｌｏｇ２Ｎ［ｄＢ］の増音が見込める。

集音部５の位置はＭＲＩ装置用では重要である。集音部５として光マイクなど非磁性体マイクを用いる場合は、外耳道入口直近に設置することが好ましい。光マイクは高価であるため、ＭＥＭＳマイクなど磁性体を含まないマイクを用いるのが良い。ＭＥＭＳマイクを用いる場合は、ＭＲＩ画像に影響が生じるため、被験者３２の外耳道入口から１〜３ｃｍ離す必要がある。図２１は前面部３０ａ及び背面部３０ｂに開口部を有する収納容器３０の斜視図と断面図を示す。開口部を有する収納容器の場合、集音部５は外耳道入口から背面部３０ｂ方向に離した場所に設置するのが好ましい。ただし収納容器の奥行が短い場合や開口部断面が大きい場合、制御音源からの音波が十分に平面波にならない。よって、３ｃｍ程度離す必要があるマイクでは平面波干渉を効果的に使えず、１．５ｋＨｚ以上の高周波の騒音低減は見込めない。対処として、収納容器３０内をスリット形状とすることやリブを設けることが考えられる。

以下に収納容器３０の形状に関して詳細原理を説明する。
収納容器３０は、装着する被験者３２の圧迫感を解消し、かつ外部の音を聞きやすくするために、音の出入り口や開口部があることが好ましい。しかし、開口部が大きすぎると、収納容器３０に伝わる制御音源からの音圧はさらに低下し、収納容器３０に入る制御対象の騒音源の音圧より大幅に低下し、ＡＮＣによる音圧干渉ができなくなる。そこで、収納容器３０に開口部がある場合は、その周囲にはリブ等の反射体を設置し、平均吸音率を低下させることで、増音を図ることが好ましい。

一般に、収納容器３０内部の音圧は平均吸音率に比例することが知られる。閉空間内部の空気減衰と空間共鳴周波数の積は式（７）となる。ここで、ｃは音速、Ｓは収納容器の表面積、 αは平均吸音率、Ｖは筐体容積である。

平均吸音率αは、収納容器内部から外部を見た時の周囲境界（壁）の材質で決まる吸音率αｉと材質の設置面積Ｓｉの積を、筐体表面積Ｓで割った値と定義される式（８）で表される。

簡単のため直方体で例えると、６面全体（Ｎ=６）が吸音率α１の場合、平均吸音率αはα１と一致する。６面すべてが開口の場合は内部から外部を見たときの開口部は反射がないことから吸音率は１となる。従って、上記理由により、開口部が１面は必ず必要な場合は、他の面はできるだけ吸音させない方が平均吸音率の向上は抑えられる。

従って、側壁以外の開口部近くにも、音波の流れを妨げない程度に、仕切り部を複数設置する方が望ましい。また、この仕切り部を間隔Ｌ（ｍ）、音源到来方向に長さｄ（ｍ）で設置すると、仕切り部で囲まれた空間内は、式（９）の周波数ｆ（Ｈｚ）以下では平面波に変わる。

ビルドアップ効果以外に音波を整流させる効果が生まれ、音圧干渉精度を向上させることができる。たとえば、平面波設定範囲が１５００〜３５００Ｈｚの場合、ｄは０．１１ｍ以上、Ｌは０．０５ｍ以下に設定する必要がある。図２１で、開口部縦幅が０．１ｍとした場合、１．７ｋＨｚ以下は平面波とみなせる。

次に、この原理を利用した収納容器３０の概要を説明する。収納容器３０は、前面部３０ａ、前面部３０ａと対向する背面部３０ｂ、側面部３０ｃを有する。

図２２は、前面部３０ａに耳を挿入するための開口部を有し、さらに側面部３０ｃの一部にも開口部を有する収納容器３０の斜視図と断面図を示す。図中では耳周囲の領域は空いているように見えるが、実際この部分は塞がれている。よって、耳を収納容器３０に押し付けた状態で完全に空いている部分は側面部３０ｃの一部である下部の開口部となる。開口部には仕切りがないことから開口部の幅がＬに相当する。仕切りがある場合と比べて、平面波になりにくく、到来方向によって、伝搬する音波の位相はずれる。従って、この状態で音圧干渉させるための制御音源の音波を下部から放射させると、騒音源の音波と到来方向にずれが生じるため、ＡＮＣによる制御を実施しても、耳付近では高周波の音圧低減効果が期待できない。

図２３は、耳が挿入される空間部の下部に仕切り部３６を設置した収納容器３０の斜視図と断面図の一例を示す。図２１の形状に対して、上述した整流効果により、この仕切り部３６を伝搬する過程で平面波に変化することができる。耳が挿入される空間部には、基本的に仕切り部３６は設定できないが、この下部の空間に設置した場合でも効果が期待できる。これは、音波が３つの仕切り部３６に分かれて伝搬し、到来方向で互いの位相は異なるものの、各仕切り部内では平面波（経路内の波面の位相は一致）になる。その結果、仕切り部３６の終端では位相の異なる３つの点音源に近似され、これらが耳近くの空間に放射される。点放射は線放射に近づくため、波面は平面波に近づく。従って、制御音源と騒音源の音波は両者揃い、仕切り部３６から離れた耳挿入部の領域でも音圧干渉させることができる。特に隅になるほど、反射効果によるビルドアップ効果も相まって、増音効果も期待できる。

図２４は、前面部３０ａに耳を挿入する開口部を設け、さらに背面部３０ｂに開口部を設けることで、収納容器３０を装着した際の圧迫感をより解消した収納容器３０の一例を示す。

この場合、騒音源はこの背面部３０ｂの開口部から収納容器３０に侵入する。前述のとおり、仕切り部３６がないと、中高域の音波は平面波にならず、音波の干渉効果は期待できない。

そこで、図２５は、図２４の背面部３０ｂの開口部にリブ３７を設けた収納容器３０の斜視図と断面図を示す。このようにリブ３７を挿入することで、平面波領域を拡大し、ビルドアップ効果による増音効果も期待できる。一方、制御音源もこの開口部から放射させることで音圧干渉も可能である。しかしこの方式では、音波干渉効果を増大するため、かつ耳とリブ３７との接触を防止するために側面部の奥行を大きくする必要があり収納容器３０が大きくなるデメリットがある。

そこで、設置スペースがない場合は、制御音源からの音波のみ側面部３ｃの下部の開口部から挿入できる構成とした。この場合、リブ３７の最下段のみ、下部からの制御音源の音波を取り込めるように開口部を設ける。この開口部から制御音源の音波はリブ３７に順次伝搬し、整流効果で平面波に近づく。なお、図２２の仕切り部３６に比べてリブ３７の長さが短いため、完全には平面波に近づけられないが、耳とリブ３７との距離が近いことから、リブ３７の終端でたとえ位相が揃っていない場合でも、干渉効果は期待できる。

図２６は、図２１、２２、２３、２４、２５に示す収納容器に振動板３から制御音源の音波を伝搬させるチューブ３８を仕切り部３６の入口手前に差し込んだ形状を示す。集音部５の位置、形状は上述したものと同一とする。チューブ３８の材料は、曲げやすく吸音効果が高すぎない材料を用いる。

たとえば、ポリエチレンチューブなどが良い。チューブ３８を用いる利点は、制御音波の放射面がチューブ断面となるため、放射効率が低く制御エリア以外へ音波を伝搬せずＡＮＣ時に不要な増音エリアを発生しない。また、左右の耳をＡＮＣする場合にクロストークの影響を考慮する必要がなくなり、制御演算量が減る。

第２の実施形態では、異なる形状を有する２つの振動板３を同一の収納容器に入れ、チューブ１８により伝送したが、同一の収納容器でなく、振動板３毎に別個の収納容器に収納することも含む。さらに、チューブ１８、３８の長さは、それぞれの管路共鳴をずらして、忠実再生を達成しやすくすることが好ましい。

さらに、仕切り部３６の変形例を以下に示す。

図２７は、仕切り部３６を１つ設けた収納容器３０の一例を示す図である。図２７に示すように、仕切り部３６により形成された２つの音波伝送路のうち、一方の伝送路に制御音源のみを伝送させ、もう一方の伝送路に騒音源のみを入力する。そして、上述した仕切り部３６の整流効果により、それぞれは平面波で伝搬する。その結果、仕切り出口では点音源に近似され、２点間で干渉し、放射音響パワーが低減する。

放射音響パワーの低減量ηは、２つの点音源の間隔で決まり、下記の式（１０）で求められる。

式（１０）で示すように、放射音響パワーの低減量は、波長ｋと間隔ｄの積によって変化させることができる。

図２８は、波長ｋと間隔ｄの積を横軸として放射音響パワーの低減量を縦軸に示す図である。図中の実線がこの効果の理論限界である。

従って、ｋｄ＝π／２以下、つまり、ｄ＜λ／４で音響パワーは低下し始める。１０ｄＢ程度まで低下させるには、ｄ＜λ／８が好ましい。

そこで、仕切り部３６の形状を工夫することにより、点音源の間隔をできるだけ小さくするのが効果的である。

図２９は、仕切り部３６にガイドあるいは開口部を設けた一例を示す図である。制御音源については伝送するチューブ３８を直接、騒音源に近づけてもよい。ガイド等は仕切り部３６と同一部材で設けてもよい。

図３０は、２つの制御音源の中心に制御マイク３９を配置した場合の一例を示す。

なお、このように点音源同士を近接に配置したときは、図３０のように、２点間の中心線上に制御マイク３９を配置し、この制御マイク３９で音圧制御を行うと、その位置だけでなく、周囲全体を低減させることができる。

このときの低下量は、以下の式（１１）で表され、図２８の破線で示すことができる。

上述した理論限界に近づけることができる。

なお、物理的にこうした点音源の距離の短縮対策が取れない場合、図３０のように、制御音源用の仕切り部を２つ設けることが有効である。

ただし、このときの制御音源は、同じ振幅と位相特性であることが前提であるため、チューブ３８で伝送する場合は、その長さを等しくするなど注意が必要となる。

騒音源と制御音源を各仕切り部によって設けられた別々の音波伝送路に入力する場合、騒音源と制御音源の間隔ｄと、２つの制御音源間の距離をＬとすると、以下の式（１２）となる。

図３１は、この場合の音響パワーの低減効果を示した図である。
図３１に示すように、音響パワーの低減効果は実線となり、図２８に示した制御音源が１個のときの結果よりも低減効果が向上しているのがわかる。

図３２は、制御マイクの設置箇所について示す図である。図３２に示すように、２つの制御音源の軸上に制御マイクを設置する場合は、式（１３）に示すように、騒音源と制御音源の距離ｄに対して距離ｒに配することで効果が向上する。

また、制御マイクを２つの制御音源の軸上に設置できない場合は、制御マイクが、２つの制御音源との関係で二等辺三角形の頂点位置になるように配置すると効果が向上する。特に、制御マイクを制御音源から離すほど効果が向上する。

図３３は、制御マイク３９の位置を示す図である。制御マイク３９をこのような配置で設置して音圧制御を行うことで仕切り部の設置効果により、仕切り部３６の終端からの放射音を発生元から低減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ スピーカシステム
２ 収納容器
２ａ 前面部
２ｂ 背面部
２ｃ 側面部
３ 振動板
３−１ 振動板
３−２ 振動板
３−３ 振動板
４ 加振源
４−１ 加振源
４−２ 加振源
５ 集音部
６ ホルダ
７ クッション（耳当て）
８ 挟持部
９ 押さえ
１０ 穴
１１ スピーカ
１２ フィルタ
１４ 外耳道
１５ キャビティ
１６ 支柱
１７ チューブ接続部
１８ チューブ
１９ 耳介挿入部
２０ ボルト
２１ ナット
２２ 発砲材
２３ スペーサ
３０ 収納容器
３０ａ 前面部
３０ｂ 背面部
３０ｃ 側面部
３１ ＭＲＩ装置
３２ 被験者
３３ ボア
３４ 寝台
３５ スピーカ
３５−１ スピーカ
３５−２ スピーカ
３６ 仕切り部
３７ リブ
３８ チューブ
３９ 制御マイク

Claims (12)

1. 第１信号をフィルタリングして複数の第２信号を生成する複数のフィルタと、
   少なくとも２つの異なる形状を有する複数の振動板と、前記振動板のそれぞれに設置される加振源と、を有し前記複数の第２信号を音波に変換する複数のスピーカと、を備え、
   前記振動板の各辺の長さは、１／√２，１／√３，１／√４，１／√５，１／√７，１／√１１・・・のいずれかの値に所定の倍数をかけたものであり、前記複数の振動板において、前記所定の倍数は同じであり、
   前記振動板の伝達特性はそれぞれ異なり、前記伝達特性に対応する前記フィルタのそれぞれは、前記スピーカの合成音波の伝達特性が目標伝達特性に近づくように設定されるスピーカシステム。
2. 前面部と、それに対向する背面部と、を有する収納容器を備え、
   前記複数の振動板は、前記背面部に沿って配置される請求項１に記載のスピーカシステム。
3. 前記前面部に開口部を有し、前記開口部の周りに設置されるクッションを備える請求項２に記載のスピーカシステム。
4. 前記収納容器は、接続部と、前記接続部に一端を接続するチューブと、を備える請求項２に記載のスピーカシステム。
5. 前記チューブは、他端に耳介挿入部を有する請求項４に記載のスピーカシステム。
6. 前記背面部と接し前記加振源を覆うキャビティを備える請求項２乃至５のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
7. 前記加振源が圧電素子である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
8. 前記目標伝達特性は、楽曲再生の場合１００Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下の周波数帯域で平坦な伝達特性を有し、音声再生の場合１００Ｈｚ以上５ｋＨｚ以下の周波数帯域で平坦な伝達特性を有し、能動消音に用いる場合１００Ｈｚ以上３．５ｋＨｚ以下の周波数帯域で平坦な伝達特性を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
9. 前記複数のスピーカから出力される音波を合成して合成音波を生成する集音部を備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
10. 前記フィルタのそれぞれは、所定の周波数帯域で各伝達特性のゲイン差が、０ｄＢ以上２０ｄＢ以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
11. 前記合成音波の伝達特性は、所定の周波数帯域で前記目標伝達特性とのゲイン差が０ｄＢ以上１２ｄＢ以下である請求項９に記載のスピーカシステム。
12. 前記振動板のそれぞれから前記集音部までの伝達特性をＰｉとし（ｉは形状の異なる振動板の数を示す）、目標伝達特性をＤとし、前記複数のフィルタの伝達特性をＨｉとすると、前記複数のフィルタは、以下の式を満たすように設定される請求項９に記載のスピーカシステム。