JPH01302998A - 音響装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、共鳴器を音響放射体として用いた音響装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

音響装置では、共鳴現象か種々の形で利用されている。

第２９図ないし第３２図はその代表例を示している。

第２９図の第１の従来例において、共鳴器１は仕切壁２
によってＡ室とＢ室の２室に区切られ、仕切壁２の穴に
は振動器として、動電形電気音響変換器（ダイナミック
スピーカ）３か取り付けられている。また、Ａ室とＢ室
にはそれぞれ開口ダクト４ａ、４ｂが設けられ、ここが
ら共鳴音響が矢印のように外部へ放射されるようになっ
ている。

Ａ室およびＢ室は、それぞれ空胴の容積や開口ダクト４
ａ、４ｂの寸法なとで定まる共鳴周波数ｆ　　　［Ｈｚ
：ｌおよびｆ。ｂ　ＣＨｚ　］を持っている。

ａ 従って、スピーカ３が図示しない増幅器などで駆動され
ると、振動板の振動によって共鳴現象が生じ、そのとき
の出力エネルギーは上記の共鳴周波数近傍で最大になる
。その結果、例えば第３０図に示すような音圧の周波数
特性を持った共鳴音響を得ることができる。

第３１図の第２の従来例において、箱体５によって構成
される共鳴室５′には、振動器としての動電形電気音響
変換器（スピーカ）６が取り付けられると共に、共鳴音
響を外部へ放射するための開ロアが形成される。一方、
箱体５には動電形電気音響変換器（スピーカ）８が別個
に設けられ、ここから音響か外部へ直接放射されるよう
になっている。このような音響装置においても、スピー
カ６が図示しない増幅器で駆動されると、振動板の振動
により共鳴室５′で共鳴現象が生じる。従って１．開ロ
アからは共鳴室５′に固有の共鳴周波数ｆ　近傍の音圧
をピークとして、第３２図に示すような音響再生がなさ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の音響装置によると、振動器により
音響放射体としての共鳴器の共振のＱ値が低下するとい
う問題があった。これは、振動器としてのスピーカには
固有の内部インピーダンスＺ　があるためであり、これ
が共鳴器の共鳴を制■ 動する要素となっているからである。このように共振の
Ｑ値が低いと、共鳴音響の放射能力は必然的に低くなり
、音響装置としての意義は小さくなる。

また、共鳴器を小形化しながら、共鳴周波数を低くしよ
うとすると、開口ダクトは細くかつ長くなければならな
い。すると、開口ダクトの音響抵抗（機械抵抗）が必然
的に大きくなり１、共振のＱ値はますます低下してしま
う。このため、共振のＱ値の低下によって音響放射能力
か更に低下し、音響装置としての現実的な用途には適し
ないものとなる。

その結果、第２９図および第３１図に示す従来装置では
、いずれも十分な音響放射能力を有しておらず、またこ
の能力をある程度確保しようとすると、キャビネットか
極めて大形化することは避けられなかった。

そこで、この発明は、十分な音響放射能力を実現するこ
とができ、しかも小形化が可能な音響装置を提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の音響装置は、共鳴による音響を放射するため
の共鳴放射部を有する共鳴器と、この共鳴器の一部を構
成する振動体を有し、共鳴器に配設される振動器と、共
鳴器の駆動時に当該共鳴器から振動板への反作用を打ち
消すように振動器を駆動する振動器駆動手段とを備える
ことを特徴とする。

〔作用〕

この発明によれば、振動器駆動手段により、振動器か共
鳴器からの反作用を打ち消すように駆動されるため、振
動板は等価的に共鳴器の壁となり、共鳴器から見たとき
の振動器の存在が無効化され、従って振動器に固有の内
部インピーダンスか共鳴器の共振のＱ値を低下させる要
因とはならなくなる。このため、共鳴器の共振のＱ、値
は極めて高くなる。従って、共鳴器を小形化し、かつ共
鳴周波数を低くすることにより、共鳴器としての音響抵
抗か大きくなって通常の駆動方式では共振のＱ値が非常
に小さくなるような場合でも、この発明では振動器によ
り共振のＱ値の低下はないので、結果としての共振のＱ
値は十分に高い値に維持することができ、共鳴器として
十分な音響放射能力を確保することができる。

以上のことから、共鳴音響の放射能力の向上と、共鳴器
の小形化とを同時に達成することが可能になる。

〔実施例〕

以下、添付の第１図ないし第２８図を参照して、この発
明の詳細な説明する。なお、図面の説明において同一の
要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第１図は、この発明の一実施例の基本的構成を示してい
る。同図（ａ）のように、この実施例では共鳴器として
、共鳴放射部をなす開口ポート１１およびネック１２を
有するヘルムホルツ共鳴器１０を用いている。このヘル
ムホルツ共鳴器１０においては、閉じられた空胴と、開
口ポート１１およびネック１２による短い管とによって
空気の共鳴現象が生じる。そして、この共鳴周波数ｆは ｐ １／２ ｆ　　　＝ｃ（Ｓ／Ω　Ｖ）　　　　　／２ｙｒ　　　
　　−＝（１）ｐ として求められる。ここで、 Ｃ：音速 Ｓ：開口ポート１１の断面積 ρ：開開示ポート１１ネック１２の長さＶ：へルムホル
ッ共鳴器１０の空胴の体積である。

この実施例の音響装置では、これに振動板２１および変
換器２２からなる振動器２０を取り付はている。そして
、この変換器２２は振動器駆動装置３０に接続され、こ
れは出力インピーダンス中に等価的に負性インピーダン
ス成分（−Ｚｏ）を発生させる負性インピーダンス発生
部３１を具備している。

この音響装置の電気的等価回路の構成は、第１図（ｂ）
のようになっている。ここで、並列共振回路Ｚ１は振動
器２０の等価モーショナルインピーダンスによるもので
あり、ｒ　は振動系の等価抵抗を示し、Ｓ　は振動系の
等価スチフネスを示し、ｍｏは振動系の等価質量を示し
ている。また、直列共振回路Ｚ２は開口ポート１１を含
むヘルムホルツ共鳴器１０の等価モーショナルインピー
ダンスによるものであり、ｒ　は共振器の空胴の等価抵
抗を示し、Ｓ　は空胴の等価スチフネスを示し、ｒρは
開口ポートの等価抵抗を示し、ｒｎｎは開口ポートの等
価質量を示している。また、図中のＡは力係数であり、
例えば振動器が動電形電気音響変換器（スピーカ）であ
るときには、Ｂを磁気ギャップ中の磁束密度、ρをボイ
スコイル導体の長さとすると、Ａ＝Ｂρとなる。さらに
、図中のＺ　は変換器２２の固有の内部インピーダンス
■ であり、例えば振動器が動電形スピーカであるときには
、主としてボイスコイルの直流抵抗となり、わずかなが
らインダクタンスを含んでいる。

次に、第１図に示す構成の音響装置の作用を簡単に説明
する。

負性インピーダンス駆動機能を有する振動器駆動装置３
０から、振動器２０の変換器２２に駆動信号か与えられ
ると、変換器２２はこれを電気機械変換し、振動板２１
を前後（図中の左右）に往復駆動しこれを機械音響変換
する。ここで、振動器駆動装置３０は負性インピーダン
ス駆動機能を有しているが故に、変換器２２に固有の内
部インピーダンスは実効的に減少化（理想的には無効化
）されている。従って、変換器２２は振動器駆動装置３
０からの駆動信号に忠実に応答して振動板２１を駆動し
、ヘルムホルツ共鳴器１ｏに対して駆動エネルギーを与
える。

このとき、振動板２１の前面側（図中の右面側）には、
ヘルムホルツ共鳴器１ｏの空胴内の空気がらの反作用か
加わるが、振動器駆動装置はこの反作用を打ち消すよう
に振動器２ｏを駆動する。これは、振動器２０の変換器
２２固有の内部インピーダンスＺｖが等価的に無効化さ
れているためであり、従って、振動板２１はへルムポル
ッ共鳴器１０の等価的な壁となり、共振のＱ値は理想的
には無限大となる。このため、ヘルムホルツ共鳴器１０
中の空気が共鳴させられて、図中に矢印で示すように、
共鳴放射部から十分な音圧の音響が共鳴放射される。

そして、ヘルムホルツ共鳴器１ｏにおける開口ポート１
１およびネック１２内の空気等価質量の調整により、こ
の共鳴周波数ｆ　を所望の周波数ｐ 帯域に設定し、かつ、開口ポート１１およびネック１２
の等価抵抗の調整により共振のＱ値を適正レベルに設定
することにより、開口ポート１１がら適切なレベルの音
圧が得られることを条件として、例えば第２図のような
音圧の周波数特性を得ることができる。なお、図中の点
線特性は、振動器自体の周波数特性の一例を示している
。

以下、この事情を第３図および第４図の等価回路で説明
する。

第３図は第１図（ｂ）をより簡素にした電気的等価回路
である。言い換えれば、共鳴器１０の空胴の等価抵抗ｒ
　と、開口ポート１１およびネッり１２の等価抵抗ｒρ
は十分に小さく、従ってその逆数分は極めて大きいので
、これらを無視した等硬目略図である。第３図において
、■は回路を流れる電流とし、■　およびＩ２はそれぞ
れ並列共振回路Ｚ　および直列共振回路Ｚ２を流れる電
流であるとすると、Ｚ　＝Ｚ　−Ｚｏとしたときｖ に、次の（２）〜（４）式が成り立つ。

町−Ｅｏ・　（Ｚｌ・Ｚ２／（Ｚ１＋２２））／［（Ｚ
ｌ・Ｚ２／（Ｚ１＋２２））＋２３］　・・・（２）１
１−Ｅｏ・（Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２））／［（Ｚｌ・Ｚ２
／（Ｚ１＋Ｚ２））十Ｚ３］　・・・（３）■２＝Ｅｏ
・　（Ｚ１／（Ｚ１＋２２））／［（Ｚｌ−Ｚ２／（Ｚ
１＋Ｚ２）ｌ＋Ｚ３］　　−（４）ここで、（３）、（
４）式を簡単にするために、Ｚ　　＝Ｚ　　−Ｚ　　／
（Ｚ　　十２２）とすると、上４　　　　１　　　　２
　　　　　　　］記の（３）式は Ｉ　　＝Ｅ　／（Ｚ　　（１＋Ｚ３／Ｚ４）ｌ　　　　
　・・・（５）となり、（４）式は Ｉ　＝Ｅ　／（Ｚ　（１＋Ｚ３／Ｚ４））　　　　　　
・・・（６）となる。

この（５）、（６）式より、次の２点が理解できる。第
１は、Ｚ３の値がゼロに近づけば、それだけ振動器側の
並列共振回路Ｚ１のみならず共鳴器側の直列共振回路Ｚ
２は、交流的には短絡された状態に近づくことである。

第２は、直列共振回路Ｚ　が２　　＝２　−２８を介し
て並列共振回路２　　　　　３　　　　　　ｖ Ｚ　から影響を受ける関係にあり、このＺ３の値がゼロ
に近づけば、それだけ直列共振回路Ｚ２は並列共振回路
Ｚ１に対して、独立性を強めることである。そして、理
想的には、 ｚ　　　＝ｚ　　−ｚｏ＝。

ｖ と仮定すると、式（５）、（６）はそれぞれ１　　、＝
　　Ｅｏ／Ｚ１　　　　　　　　　　＝−（７）■　　
＝　　Ｅｏ／ｚ２　　　　　　　　−（８）＝　　１２
　− となり、直列共振回路Ｚ２は並列共振回路Ｚ１と共に交
流的にゼロインピーダンスで短絡され、かつ直列共振回
路Ｚ２は並列共振回路Ｚ１から全く独立した共振系とみ
なすことができる。

第４図に、Ｚ　ｏ　−Ｚ　ｙとしたとき、すなわち、２
　　＝２　−２ｏとしたときの第３図の等価回路Ｖ を示す。

まず、ヘルムホルツ共鳴器１０、開口ポート１１および
ネックコ、２によるヘルムホルツ共鳴系を検討する前提
として、振動器２０による共振系について、より厳密に
考察してみると、等価モーションナルインピーダンスに
よる並列共振回路Ｚ１は、両端が交流的にゼロインピー
ダンスで短絡されている。従って、この並列共振回路Ｚ
１は、実質的には、もはや共振回路ではなくなっている
。

すなわち、振動器２０の変換器２２は駆動信号入力に対
してリアルタイムで線形応答し、全く過渡応答すること
なく、電気信号（駆動信号）を忠実に電気機械変換し、
振動板２１を変位させることになる。また、この振動器
２０にあっては、単にヘルムホルツ共鳴器１０に振動器
２０を取付けた状態で有していた最低共振周波数ｆ　と
いう概念かもはやなくなっている。この振動器２０によ
る並列共振回路Ｚ１は、その両端をゼロインピーダンス
で交流的に短絡されているのであるから当然である。（
以後、振動器２０の最低共振周波数ｆ　相当値と言う場
合には、実質的には無効化されてしまった上記概念を仮
に呼ぶにすぎない。）さらに、振動器２０とへルムホル
ツ共鳴器１０は互いに無関係であり、しかも、振動器２
０と開口ポート１１も無関係であり、このためへルムホ
ルツ共鳴器ｌＯの容積の大小や開口ポート１１の内径の
大小やネック１２の長さなどとは全く無関係に（ヘルム
ホルツ共鳴系の等価モーショナルインピーダンスとは全
く無関係に）機能する。

また、この並列共振回路Ｚ１は直列共振回路Ｚ２と無関
係に独立して並存している。従って、システムを小形化
するためにヘルムホルツ共鳴器１０を小容積に設計した
ときにも、また後述のようにヘルムホルツ共鳴系のＱ値
を下げるために開口ポート１１−およびネック１２を細
長く設計したときにも、この並列共振回路Ｚ１すなわち
ユニ・ソト振動系の設計は何らヘルムホルツ共鳴器側へ
影響を及はさない。このため、相互依存条件にとられれ
ない容易な設計が可能になる。

別の見方をすれば、このユニット振動系は実効的には共
振系でなくなっているので、駆動信号入力がゼロボルト
ならば、振動板２１は実質的にはへルムホルツ共鳴器１
０の壁の一部になってしまうともいえる。

さらに別の見方をすれば、この発明の音響装置では、共
振系はへルムホルツ共鳴系のみ唯一つになってしまうこ
とである。（第２９図、第３１図に示す従来装置では、
ヘルムホルツ共鳴系以外に振動器自体か別の共振系を形
成しており複数個存在する。） さて、ここで、上記の第４図を参照して、ヘルムホルツ
共鳴器１０、開口ポート１１およびネック１２による共
振系（ヘルムホルツ共鳴系）について詳しく検討する。

−］　５　− まず、このヘルムホルツ共鳴器１０の駆動について説明
する。変換器２２に流れる電流■は、前述の（７）、（
８）式より、 １　＝　Ｉ　１＋Ｉ　２ ＝（１／Ｚ　　＋１／Ｚ２）Ｅｏ　　・＝（９）となる
が、共鳴器の共鳴周波数ｆ　付近（ヘルムｐ ホルツ共鳴をしている状態）においては、ｚ２→０にな
り（但し、実際には抵抗骨によりダンプされている）、
一方、変換器２２の振動板２１の最低共振周波数ｆ　相
当値は開口ポート１１の共鳴周波数ｆ　より高いから、
共鳴周波数ｆ。ｐ付近にｐ おいてはＺｌの値は十分に大きくなっている。このため
、（９）式は １＝１１＋ｌ２＝Ｉ２ となり、変換器２２に流れる電流の大部分は、ヘルムホ
ルツ共鳴器１０の駆動のために寄与していることになる
。また、Ｚ２→０となっているためヘルムホルツ共鳴器
１０は大電流かつ小振幅電圧で駆動されることになり、
これと並列な変換器２２も同様に小振幅電圧で駆動され
ることになり、従って振動板２１は小振幅動作となる。

ここにおいて、振動板２１が小振幅動作である点は、ダ
イナミック・コーン・スピーカなどの大振幅動作にあり
がちな非線形な歪を、減少させる効果か大きい。特に重
低音域において顕著になる。

次に、ヘルムホルツ共鳴器１０の共鳴周波数について説
明する。この共鳴周波数数とは、すなわち直列共振回路
Ｚ２の共振周波数のことであるが、これは、前述の（１
）式から明らかなように、開口ポート１１の断面積Ｓと
そのネック１２の長さΩとを調整することにより共鳴器
１０の空胴の体積Ｖに無関係に任意設定できる。（もち
ろん体積Ｖを含んで調整することも可能である。）次に
、ヘルムホルツ共鳴器１０が形成する直列共振回路Ｚ２
の共振のＱ値について説明する。この直列共振回路Ｚ２
の両端は交流的にゼロインピーダンスで短絡されている
ため、 （負荷抵抗）／（共振インピーダンスンとして表わされ
るＱ値は第４図の等価回路ではＱ値は無限大になる。第
１図の等価回路に基づいて共振のＱ値を正確に算出する
と １／２ Ｑ＝（ｍ　　Ｓ　　）　　　／（ｒ　　＋ｒΩ）Ｒｅ　
　　　　　　Ｃ となるが、通常ｒ　　、ｒρは極めて小さく、これをゼ
ロとみなせば、やはり同様の結果となる。

すなわち、この発明によれば、共鳴器１０の共振のＱ値
が従来に比べて格段に大きくなるということであり、こ
れは共鳴器１０の音響放射能力の余裕度を極めて大きく
しているとも見れる。

一般に、ヘルムホルツ共鳴器１０等の共鳴Ｑ値を必要に
応じて低下させる制御は容易にできる。

例えば、ヘルムホルツ共鳴器１０を小形化する場合、開
口ポート１１の共振系の共鳴周波数ｆ　をｐ 低くすることは、前述の（１）式 ％式％ において、開口ポートの断面積Ｓを小さくし、あるいは
ネックの長さρを大きくすることにより実現される。こ
のことは、この発明の音響装置では、小形化してかつ重
低音再生しようと設定すること自体が、Ｑ値を適度に下
げる要素となることを意味するのである。すなわち、開
口ポート１１を細長くすることは、空気摩擦による機械
抵抗（音響抵抗）を大きくすることであり、従って、第
１図（ｂ）の等硬目路においてＡ／ｒ、ｌｌｌを小さく
することになるので、ヘルムホルツ共鳴器１０および開
口ポート１１側の直列共振回路Ｚ２のＱ値は低下し、結
果として適度にダンピング特性が向上する。この点は、
第２９図、第３１図に示す従来装置において装置を小形
化すると共振系としてのＱ値が極度に小さくなり、つい
には音響放射能力か失われてしまっていたことと比較す
ると、極めて好対照といえる。

また、その他に、ヘルムホルツ共鳴器１０内に吸音材な
どを入れることによってＡ２／ｒ　　を小さくし、Ｑ値
を所望に制御することもできる。そして、いずれの場合
でも、共鳴器（キャビネット）の小形化という条件の下
で、上記のようにヘルムホルツ共鳴系のＱ値を制御して
も、ユニット振動系には何ら影響が及ばない。

このように共鳴周波数、共振Ｑ値が単独設定されたヘル
ムホルツ共鳴器１０は、もはやユニット振動系とは全く
独立して仮想スピーカと見なすべきである。そして、こ
の仮想スピーカは、開口ポート径に相当する小口径で実
現されるにもかかわらす、その低音再生能力から見ると
現実のスピーカとしては極めて大口径のものに該当し、
寸法効率あるいは音源集中化には極めて大きい効果を奏
する。当然、実際のスピーカを使わなくて済むから、そ
の意味でのコスト効率も極めて大きい。また、この仮想
スピーカには現実の振動板は存在せず、しかも空気のみ
で構成される振動板であり、極めて理想的なものといえ
る。

以上の説明から明らかなように、この発明によれば共鳴
器の共振のＱ値が極めて大きく　（理想状態に近ければ
Ｑ轡Ｏｏ）なり、また、この共鳴器は実際には振動板の
変位によって駆動されるものの、等硬目路的には振動器
と全く並列的にかつ独立して駆動源から駆動エネルギー
が供給されているものとみなせ、共鳴器と振動器との相
互依存条件等を全く考慮することなく設計が可能であり
、さらには共鳴器の容積も振動器側には全く影響を与え
ないので、共鳴器の共振周波数をその容積に依存しない
形で独自設定することにより、小形でかつ十分な音圧の
重低音再生か可能となるのである。

例えば、第２図に示すような音圧の周波数特性を容易に
、しかも小形化された装置（キャビネット）で実現する
ことができる。

なお、以上の基本構成の説明では、理想的状態として ｚ　　＝ｚ　　−ｚｏ＝。

ｖ と仮定して説明したが、本質的には ０≦Ｚ３くＺｖ とすることでこの発明の効果が充分に得られる。

すなわち、振動器が共鳴器駆動時に共鳴器側から受ける
反作用を少しでも打ち消すように駆動してやれば、それ
なりに効果を生じるのである。なぜなら、ユニット振動
系の振動板がヘルムホルツ共鳴器の壁面と化す程度は、
共鳴器側からの反作用によって該振動板が勝手に駆動さ
れる度合に関係し、反作用打ち消しの効果は、Ｚ３の値
が減少するに従って増加するからである。従って、例え
ば動電形スピーカにおいて、ボイスコイルの内部抵抗値
が８Ωであるときには、−４Ωの等硬貨性抵抗を生成し
て見掛は上は抵抗値を４Ωとすることで、ヘルムホルツ
共鳴器からは十分に満足できる低音再生を実現できる。

また、負性インピーダンスを大きくし過ぎることにより
、Ｚ　　＝、　Ｚ　　　Ｚ　ｏの値を負にするようｖ なことは好ましくない。なぜなら、Ｚ３が負になると回
路は、負荷を含め全体として負性抵抗性となり、発振を
生じるからである。従って、内部インピーダンスＺ　の
値が動作中の発熱などで変化■ するときには、これに応じて負性インピーダンスの値を
あらかじめ余裕をもって設定しておくが、温度変化に応
じて負性インピーダンスの値を変える（温度補償する）
必要がある。

なお、ユニット振動系の共振のＱ値について付言してお
くと、共鳴器からの反作用を打ち消すようにこの振動系
が駆動されるということは、実質的にこの振動系中の固
有の内部インピーダンスＺ　が無効化されていることに
なるから、その場■ 合、並列共振系において、 （負荷抵抗）／（共振インピーダンス）として表される
Ｑ値は、並列共振回路Ｚ１についてはゼロになる。ユニ
ット振動系でＱ＝０になるということは、等価的に並列
共振回路Ｚ１をなす振動器２０が、入力電圧Ｅ　と並列
共振回路Ｚ１■ の抵抗分Ａ２／ｒ　　で決定されるＥ　／（Ａ２１０　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｖｒ　）なる電
流源で駆動されるスピーカになることである。電気的に
みて電流駆動領域にあるということは、機械的には速度
駆動領域にあるということであり、このスピーカの最低
共振周波数ｆ。

相当値近傍の音波の周波数特性は、６　ｄＢ／　ｏｃｔ
となる。これに対して、通常の電圧駆動状態の特性は、
１２　ｄＢ／　ｏｃｔとなる。

別の観点でいえば振動板２１は完全な制動状態になるこ
とである。すなわち、振動板２１を駆動したことによる
反作用に対しては、駆動電流が増減することにより、こ
の反作用に対抗すべく制御がなされる。従って、例えば
振動板２１に外力が加わった場合でも、その瞬間にこの
外力と均衡する状態まで逆駆動力が働くのである。（ア
クティブサーボ）。

次に、これまで第１図ないし第４図で説明した基本構成
において、適用可能な各種の態様を説明する。

まず、共鳴器については、第１図（ａ）のものに限られ
ない。例えば、空胴部の形状は球形に限らず直方体、立
方体等としてもよく、また、その容積についても特に限
定されることなく、かつユニット振動系とは独立に設計
できる。このため、小容積としてキャビネットを小形化
することができる。また、共鳴放射部をなす開口ポート
およびネックについても、断面形状などは限定されず、
例えば音道は第１図（ａ）のように外部に突出する形態
でも良いし、また空胴内に収容する形態としてもよい。

さらに、特にネック１２を設けず、単なる開口の存在の
みであってもよい。さらに開口は複数個に分散されてい
てもよい。さらに、共鳴周波数ｆ　は開口ポートの断面
積とネック長さｐ との相関関係の下で、適宜に設定してもよい。さらに、
開口ポートの断面積をネックの長さとの関係において適
宜設５定できるので、ポートの開口を小さくすることに
より低域用の仮想スピーカを小口径にでき、音源を集中
させて定位感を高めることができる。

振動器（電気音響変換器）については、第５図ないし第
１２図に示すように、大別すると動電形、電磁形１、圧
電形および静電形など各種の形のものを適用することが
できる。

動電形スピーカ（ダイナミックスピーカ）の振動板の態
様は、第５図ないし第７図に示すように、コーン形、ド
ーム形、リボン形、全面駆動形およびバイルドライバ形
がある。コーン形ダイナミ・ツクスピーカは第５図に示
すように、振動板として円錐形状のコーン１０１を有し
、このコーン１０１の円錐頂部近傍にはボイスコイル１
０２か固定される。そして、このボイスコイル１０２は
磁気回路１０３に形成された磁気ギャップ中に挿入され
ている。なお、このコーン形ダイナミックスピーカでは
、非モーショナルインピーダンス成分は主に抵抗として
現れる。第６図に示すドーム形ダイナミックスピーカで
は、振動板がドーム１０４となっている点を除けば、第
５図のコーン形ダイナミックスピーカと基本的には同一
である。

リボン形ダイナミックスピーカは、第７図のように、磁
気回路１０３の磁気ギャップ中にリボン振動板１０５を
配設して構成される。この形のものでは、駆動電流をリ
ボン１０５の長手方向に流すことにより、前後（図面に
おいて上下）に振動して音波を発生させる。従って、リ
ボン１０５がボイスコイルと振動板を兼ねている。なお
、これについても非モーショナルインピーダンス成分は
主に抵抗として現れる。

全面駆動形ダイナミックスピーカは、第８図のように、
音波を放射するための開孔１０３ａを有する磁石板１０
３，１０３を平行に配設し、この間にボイスコイル１０
２付きの振動膜１０６を配設して構成される。ここで、
磁石板１０Ｂは磁力線か振動板］０６とほぼ平行になる
ように着磁され、またボイスコイル１０２は振動膜１０
６上に渦巻き状に固定されている。

第９図に示すバイルドライバ形ダイナミックスピーカに
ついても、ボイスコイル１０２は振動膜１０６上に配設
されている。すなわち、振動膜１０６は蛇腹状に構成さ
れ、ここにボイスコイル１０２がジグザグに固着されて
いる。これによれば、ボイスコイル１０２に駆動電流を
流すことにより振動板１０６の蛇腹は交互に伸縮し、音
波か放射される。そして、このスピーカにおいても非モ
ーショナルインピーダンス成分は主に抵抗として現れる
。

電磁形スピーカとしては、第１０図のようなものがある
。図示のように、振動自在に配設された振動板１０６は
磁性体を含んで構成され、この近傍にはコイル１０７を
巻回した鉄心１０８が設けられる。ここにおいて、コイ
ル１０７に駆動電流を流せば、鉄心１０８からの磁力線
により振動板１０６は振動させられ、図中の上下方向に
音波が放射される。なお、この形のスピーカにおいても
、非モーショナルインピーダンス成分は主に抵抗として
現れる。

圧電形スピーカとしては、第１１図に示すようなものが
ある。図示のように、支持体１１０には電歪効果により
振動するバイモルフ１１１の両端が固定され、この中心
部には振動棒］１２が立設して固定される。そして、こ
の振動棒１１２の先端は支持体１．１０に固着された振
動膜１１３の、はぼ中心部に当接している。このスピー
カでは、電歪効果によってバイモルフ１１１が屈曲し、
これによって中心部が上下に振動すると、これが振動棒
１１２を伝わって振動膜１１３に伝えられる。

従って、駆動電流に応じて振動膜１１３を振動させ、音
波を放射することかできる。なお、このスピーカでは非
モーショナルインピーダンス成分は、主として静電容量
などとして現れる。

静電形スピーカとしては、第１２図に示すようなものが
あり、一般には、同図（ａ）のものかシングルタイプコ
ンデンサ形と呼ばれ、同図（ｂ）のものがプッシュプル
タイプコンデンサ形と呼ばれる。同図（ａ）において、
振動膜１２１はメツシュ状の電極１２２と近接して並設
され、これにバイアスＥを重畳した人力信号が与えられ
る。従って、静電効果により振動膜１２］を振動させ、
音波を放射できる。このとき、振動膜１２１の振動によ
り変位電流のリアクションかあるので、これを利用して
負性インピーダンス（容量）を等価的に生成できる。同
図（ｂ）については、振動膜１２１が２枚のメツシュ状
の電極１２２に挾まれている。動作原理については同図
（ａ）と同様であり、また非モーショナルインピーダン
ス成分についても主に静電容量として現れる。

共鳴器からの反作用を打ち消すように振動器を駆動する
ための振動器駆動手段における負性インピーダンス発生
手段については、第１３図ないし第２］１図に示すよう
に各種のものがある。

第１３図は、その基本構成を示している。図示のように
、利得Ａの増幅回路１３１の出力をスピーカ１３２によ
る負荷ＺＬに与える。そして、この負荷Ｚ、に流れる電
流ｉを検出し、伝達利得βの帰還回路１３３を介して増
幅回路１３１に正帰還する。このようにすれば、回路の
出力インピーダンスＺｏは Ｚｏ＝２８　（１−Ａβ）　　　　　　−（１０）とし
て求められる。この（１０）式らからＡβ〉１とすれば
Ｚ。は開放安定形の負性インピーダンスとなる。ここで
、Ｚ８は電流を検出するセンサのインピーダンスである
。

第１４図は、電流ｉの検出をスピーカー３２の接地側に
設けた抵抗Ｒにより行なう例である。

これによれば、出力インピーダンスＺｏは前述の（１）
式より Ｚｏ＝Ｒ８（１−Ａβ） となるので、Ａβ〉１とすれば、見掛は上の負性抵抗成
分を出力インピーダンス中に含ませることができる。な
お、このような回路に相当する具体例は、例えば特公昭
５９−５１７７１号などに示されている。

第１５図は、電流ｉの検出をスピーカー３２の非接地側
に設けた抵抗Ｒにより行なう例である。

この例によっても、出力インピーダンスＺｏに負性抵抗
成分を含ませることができる。なお、このような回路の
具体例は、例えば特公昭５４−３３７０４号などに示さ
れている。第１６図はＢＴＬ接続にしたもので、図中の
１３４は反転回路である。この回路においても、出力イ
ンピーダンスＺｏは Ｚｏ＝Ｒ８（１−Ａβ） となる。

第１７図は、電流プローブによって電流ｉを検出する例
である。すなわち、電流ｉは線路に周囲磁場を形成する
ので、これを電流プローブ１３５で検出し、帰還回路１
３３を介して増幅回路１３１に帰還するものである。

第１８図は、帰還回路１３３に積分器を用いた例である
。すなわち、インダクタンスＬの両端電圧を積分して検
出することにより、抵抗検出と同等のことを行なうこと
ができる。この回路によれば、ＤＣ近傍では抵抗Ｒを用
いたときよりも低損失にできる。

第１９図は、帰還回路１３３に微分器を用いた例である
。すなわち、キャパシタンスＣの両端電圧を微分して検
出することにより、抵抗検出と同等のことができる。但
し、この回路ではスピーカ１３２の駆動系にキャパシタ
ンスＣが介在されるため、直流成分の駆動信号がカット
される問題がある。

以上、説明した例は、出力インピーダンスＺ。

に負性抵抗を等価的に含ませるものであり、動電形ある
いは電磁形の電気音響変換器を用いたときに適用される
。これに対して、圧電形あるいは静電形の変換器（スピ
ーカ）を用いたときには、非モーショナルインピーダン
ス成分はキャパシタンスである。従って、出力インピー
ダンスＺｏには負性容量を等価的に含ませることが必要
になる。

第２０図はその一例の回路図で、スピーカ１３２は静電
形あるいは圧電形のスピーカである。このスピーカ１３
２の接地側のキャパシタンスＣの両端は、帰還回路１３
３に接続されている。この例によれば、出力インピーダ
ンスＺｏは前述の（１０）式より 一　　３２　− Ｚｏ＝Ｃ（１−Ａβ） となる。

非モーショナルインピーダンス成分としてインダクタン
スを含む電気音響変換器を用いるときには、等硬貨性イ
ンダクタンスを出力インピーダンスＺ。に含ませること
が必要になる。また、動電形スピーカなどでは非モーシ
ョナルインピーダンス成分として、抵抗のほかにインダ
クタンスもある程度は含んでいるので、このインダクタ
ンス成分も無効化したいときには、負性インダクタンス
の生成が必要になる。第２１図はその一例の回路図であ
る。図示のように、スピーカ１３２の接地側のインダク
タンスＬの両端は、帰還回路１３３に接続されている。

この例によれば、出力インピーダンスＺｏは Ｚｏ＝Ｌ　（１−Ａβ） となる。

次に、この発明の実施例について、順次に説明する。

第２２図は、キャビネットに動電形スピーカを適用した
実施例の構成図である。図示のように、ヘルムホルツ共
鳴器としてのキャビネット４１の後面（図中の左面）に
は穴があけられ、ここに動電形スピーカ４２が取り付け
られている。スピーカ４２は円錐形状（コーン状）の振
動板４３と、その円錐頂部近傍に設けられた動電形変換
器４４により構成される。また、キャビネット４１の前
面（図中の右面）側には開口ポート４５が突出したネッ
ク４８に形成され、これがこの発明における音響放射体
としての共鳴器を形成している。駆動回路４６は負性抵
抗駆動用のサーボ回路４７を有し、この出力で動電形変
換器４４が駆動される。

ここで、動電形変換器４４はボイスコイル直流抵抗Ｒを
有し、これに対し駆動回路４６は出力■ インピーダンス中に等硬貨性抵抗成分（−Ｒ）■ を有し、従って、これにより抵抗Ｒが実質的に無効化で
き、もって、振動器は共鳴器からの反作用を打ち消すべ
く駆動されるようになる。また、Ｒ、Ｌ　　、Ｃはそれ
ぞれスピーカ４２を電気ＭＭ 的に等価表現したときのモーショナルインピーダンスで
ある。一方、キャビネット４１の容積をＶとし、開口ポ
ート４５の断面積を８１そのダクトのネック４６の長さ
をβとすると、その共鳴周波数ｆ　は前述の（１）式の
ように、 ｐ １／２ ｆ　　＝ｃ（Ｓ／ΩＶ）　　／２π ｐ で求められる。

第２２図に示す実施例の等価的動作構成は、第２３図の
ようになる。すなわち、開口ポート４５によって等価的
に形成される仮想のスピーカ４５′は、容積が無限大の
密閉形キャビネット４１′に取り付けられたのと等価と
なる。そして、スピーカ４１′は等価的に形成された低
域通過フィルタ（ＬＰＦ）４８を介して、通常の（アク
ティブサーボ駆動をしない）アンプ４つに接続されてい
る。仮想スピーカ４５′の共振周波数ｆ　はｐ 開口ポート４５とダクトのみによって定まり、そのとき
の共振のＱ値は自在に制御することができる。

以上の説明から明らかなように、この第２２図および第
２３図に示す実施例によれば、仮想スピ一力が開口ポー
ト４５およびダクトにより等価形成される。そして、こ
れらは容積が無限大の密閉形キャビネットに取り付けた
のと等価になるので、極めて優れた低音再生特性が実現
される。そして、スピーカユニットの仕様とキャビネッ
トの仕様は、互いに制約されることなく自由に設計でき
るので、キャビネットを小形化することも全（問題な（
なりかつキャビネットが形成する共鳴体の共鳴周波数も
キャビネットの容積以外で設定でき、システムを従来の
あらゆるスピーカシステムに比べて著しく小形化できる
。具体的には、ヘルムホルツ共鳴器の容量を３．５リツ
トルとしたときに、第２４図に示すような、優れた音圧
の周波数特性か得られた。

この仮想スピーカは、その仮想振動板の変化速度に関し
、第２３図に示されるような等価フィルタ４８を介して
アンプ４つに接続されていることになる。

なお、再生音圧か十分でない帯域については、入力信号
のレベルをアンプ側で増減設定することにより、容易に
制御することができる。

第２５図は、この発明の他の実施例を示している。図示
の通り、ヘルムホルツ共鳴器は第１および第２の共鳴器
５１ａ、５１ｂからなり、これらはそれぞれ開口ポート
５２ａ、５２ｂを有している。そして、共鳴器５１ａ、
５１ｂの間の仕切壁５３には穴があけられ、ここに動電
形スピーカ５４が取り付けられている。そして、スピー
カ５４は負の出力インピーダンス（−Ｒ）を等価■ 的に有する駆動制御装置３０によって動作させられ、第
１および第２の共鳴器５１ａ、５１ｂからのそれぞれの
反作用に影響されずその振動板は等価的にこれら共鳴器
の壁面の一部となる。この例では、各ヘルムホルツ共鳴
系Ａ、Ｂはそれぞれ別個の共鳴周波数ｆ　　　、ｆ　　
　を持っている。

ｏｐａ　　　ｏｐｂ 次に、この発明の発明者が試作したいくつかの具体例を
説明する。

第２６図は、１個の動電形コーンスピーカを用いて、等
価的に仮想スピーカシステムを構成したときの駆動回路
の回路図である。同図において、負の出力インピーダン
スＺｏは Ｚ　　＝Ｒ（１−Ｒｂ／Ｒａ） Ｓ ＝０．　２２　　（１−３０／１．　６）＝−３，９（
Ω） となる。すなわち、第２６図の回路では、等価的な出力
インピーダンスが第２７図に示すようになっている。

第２８図は、低歪率の負性抵抗パワーアンプの回路例で
ある。同図中、点線で囲んだＡ部分が、第１４図及び第
２４図等に示す検出抵抗Ｒであす、図中の点線で囲んだ
Ｂ部分が、この検出電流値に相当する電圧を再び電流化
して、入力側に帰還させる部分であり、第１４図中の回
路１３３等に相当する。電圧電流変換をする理由は、検
出部と入力帰還部との接地電位差の影響を受けないよう
にするためである。この回路では、出力インピーダンス
Ｚ　は Ｚ　　＝Ｒ（１−Ｒｆ／Ｒ，） ＯＳ となる。従って、Ｒｆ＝３０にΩであるので、Ｒ＜３０
にΩのときに、出力インピーダンスＺｏ中に等価的な負
性抵抗分を含ませることができる。

更に本発明者は、この発明の音響装置と、従来の装置と
の効果の比較に関し、次のような結果を得た。

まず、この発明に従った音響装置としては、ヘルムホル
ツ共鳴器の空胴の容量を６リツトルとし、開口ポートの
内径を３．３ｃｍとし、そのネック長を２５ｃｍとした
。そして、動電形コーンスピーカを取り付けて負性抵抗
駆動を行なったところ、ｆ　−４１ヘルツまでの重低音
再生ができた。こｐ れに対し、負性抵抗駆動等をしない従来の装置では、動
電形コーンスピーカとしてｆ　＝５０ヘルツ、Ｑ＝’０
．５、口径２０帥のものを用いたときには、キャビネッ
トの容量を１７６リツトルとしたときに、ｆ＝４１ヘル
ツまでの再生が可能とｐ なった。従って、同一程度の重低音再生において、キャ
ビネットの容量を１／３０倍程度にできることが判明し
た。　　　　　゛ 〔発明の効果〕 以上、詳細に説明した通り、この発明によれば、振動板
は等価的に共鳴器の壁となり、振動器の内部インピーダ
ンスが共振のＱ値の低下の要因とはならなくなる。この
ため、共振のＱ値を極めて高くできることになる。また
、共鳴器と振動器とは全く独立した存在となり、共鳴器
の共鳴周波数は共鳴器の容積以外で設定可能であるから
該共鳴器を小形化することも容易であり、さらに共鳴器
を小形化し、かつ共鳴周波数を低くすることにより、共
鳴器としての音響抵抗が大きくなって通常の駆動方式で
は共振のＱ値が非常に小さくなるような場合でも、この
発明では振動器により共振のＱ値の低下はないので、結
果としての共振のＱ値は十分に高い値に維持することが
でき、共鳴器として十分な音響放射能力を確保すること
ができる。

以上のことから、共鳴音響の放射能力の向上と、共鳴器
の小形化とを同時に達成することが可能になる。

また、この発明の音響装置はオーディオ用スピ一カシス
テム以外にも、電子楽器、電気楽器等の発音体あるいは
他の発音体として幅広く応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の基本構成を説明する図
、 第２図は、音圧の周波数特性図、 第３図は、第１図（ａ）の電気的等価回路図、第４図は
、第３図の２３をゼロとしたときの等硬目略図、 第５図ないし第９図は、動電形スピーカのいくつかの例
を説明する図、 第１０図は、電磁形スピーカの例を説明する側面図、 第１１図は、圧電形スピーカの例を説明する断面図、 第１２図は、静電形スピーカの例を説明する回路図、 第１３図は、等価的に負性インピーダンスを生成する回
路の基本構成図、 第１４図ないし第１９図は、等硬貨性抵抗を生成する回
路の回路図、 第２０図は、等硬貨性キャパシタンスを生成する回路の
回路図、 第２１図は、等硬貨性インダクタンスを生成する回路の
回路図、 第２２図は、より具体的な実施例に係る音響装置の構成
図、 第２３図は、第２２図の装置の等測的動作構成の説明図
、 第２４図は、第２２図の実施例による音圧の周波数特性
を示す図、 第２５図は、この発明の他の実施例に係る音響装置の構
成図、 第２６図は、１個の振動器を用いて等価的に仮想スピー
カシステムを実現したときの回路図、第２７図は、第２
６図において等価的に形成される出力インピーダンスを
説明する図、第２８図は、低歪率の負性抵抗パワーアン
プの回路図、 第２９図は、従来の音響装置の第１の例の断面図、 第３０図は、従来の第１の例による音圧の周波数特性を
説明する図、 第３１図は、従、来の音響装置の第２の例の断面図、 第３２図は、従来の第２の例による音圧の周波数特性を
説明する図、 である。 １０・・・ヘルムホルツ共鳴器、１１・・・開口ポート
、１２・・・ネック、２０・・・振動器、２１・・・振
動板、２２・・・変換器、３０・・・振動器駆動装置、
３１・・・駆動制御手段（負性インピーダンス発生部）
、Ｚｏ・・・出力インピーダンス、Ｚｖ・・・内部イン
ピーダンス（非モーショナルインピーダンス成分）。 特許出願人　　ヤ　マ　ハ　株　式　会　社代理人弁理
士　　　長谷用　　芳　　樹林デ編荏 １１号 Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、Ｊ”−。 ゝＣ） 音圧の周波数特性 第２図 第１図（ａ）の等価回路 第３図 　　Ｅ 層 灸 第３図のＺ３二〇とした等価回路 第４図 ■　　　　第５図 ドーム形ダイナミックスピーカ 第６図 ＋０３ バイルドライバ形ダイナミックスピーカ第９図 電磁形スピーカ 第１０図 圧電形スピーカ 第１１図 入力 静電形スピーカ 第１２図 第１３図 接地側で電流検出する例 へ区 へ　Ｏ 、：ＸＣ’、１ °ぐ　昧 七 Ｆ 騎 碩 へ （’Ｊ 御田の ↓ 御田受

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．共鳴による音響を放射するための共鳴放射部を有す
   る共鳴器と、 この共鳴器の一部を構成する振動体を有し、前記共鳴器
   に配設される振動器と、 前記共鳴器の駆動時に当該共鳴器から前記振動板への反
   作用を打ち消すように前記振動器を駆動する振動器駆動
   手段と、 を備えることを特徴とする音響装置。
2. ２．前記共鳴器は開口部を有するヘルムホルツ共鳴器で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響
   装置。
3. ３．前記開口部は筒状のネックを有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の音響装置。
4. ４．前記振動器は動電形電気音響変換器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響装置。
5. ５．前記振動器は電磁形電気音響変換器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響装置。
6. ６．前記振動器は静電形電気音響変換器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響装置。
7. ７．前記振動器は圧電形電気音響変換器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の音響装置。
8. ８．前記振動器駆動手段が、出力インピーダンス中に等
   価的に負性インピーダンス成分を発生する負性インピー
   ダンス発生手段を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の音響装置。
9. ９．前記負性インピーダンス発生手段が、前記振動器の
   駆動電流に対応する信号を前記振動器駆動手段の入力側
   に正帰還して等価的に負性インピーダンス成分を発生す
   るよう構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第８項記載の音響装置。
10. １０．前記負性インピーダンス発生手段が、出力インピ
    ーダンス中に等価的に負性抵抗成分を発生するよう構成
    されていることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載
    の音響装置。