JPH0970089A

JPH0970089A - スピーカ装置

Info

Publication number: JPH0970089A
Application number: JP22367095A
Authority: JP
Inventors: Akio Mizoguchi; 章夫溝口
Original assignee: Aiwa Co Ltd
Current assignee: Sony Group Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-11

Abstract

(57)【要約】【課題】全指向性と両指向性の組み合わせで得られる所
望の指向性を超低域周波数まで安定して付与する。【解決手段】スピーカボックス１１の一の端面にスピー
カ１２を取り付け、この一の端面とは異なる端面（上
面）に音響抵抗材料１４で覆われた円形の音波放射口１
３を設ける。音波放射口１３はスピーカ振動板の背面か
ら出る空気振動を外部に音波として放射するためのもの
であり、その中心を貫通する軸がスピーカ１２の主軸
（基準軸）の方向に延びるように形成する。音波放射口
１３の音響抵抗および音響質量とスピーカボックス内空
気の呈する音響容量とで低域フィルタを構成し、この低
域フィルタを通じて音波放射口１３から放射される音波
の通過帯域内での群遅延時間を利用して指向性を得る。
スピーカボックス１１の寸法や形状に関係なく任意の群
遅延時間を設定して所望の指向性を超低域周波数まで安
定して得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、指向性が付与さ
れるスピーカ装置に関する。詳しくは、低域フィルタを
通じてスピーカボックスの音波放射口から放射される音
波の通過帯域内での群遅延時間を利用し、スピーカの前
面と音波放射口から放射される音波の合成音圧がスピー
カの前方主軸上で最大感度を持つように指向性を付与す
ることによって、スピーカボックスの寸法や形状に関係
なく任意の群遅延時間を設定して所望の指向性を超低域
周波数まで安定して得ることができるスピーカ装置に係
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、スピーカ装置として、密閉型や後
面開放型のものが知られている。ここで、低域周波数で
の指向特性は、密閉型のスピーカ装置では全指向性とな
り、後面開放型のスピーカ装置では両指向性となる。ま
た、スピーカを理想的な点音源とみなすことができない
中・高域周波数では、スピーカの放射音波そのものが指
向性を持つようになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
スピーカ装置では低域での指向特性として全指向性また
は両指向性しか得ることができなかった。

【０００４】そこで、この発明では、全指向性と両指向
性の組み合わせで得られる所望の指向性を超低域周波数
まで安定して付与し得るスピーカ装置を提供するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係るスピーカ
装置は、スピーカボックスの一の端面にスピーカを取り
付けると共に、スピーカボックスの上記一の端面とは異
なる端面に音響抵抗材料で覆われた音波放射口を設け、
スピーカボックス内の空気の呈する音響容量と音波放射
口の音響抵抗および音響質量とで音響的な低域フィルタ
を構成するものである。そして、低域フィルタを通じて
音波放射口から放射される音波の通過帯域内での群遅延
時間を利用して、スピーカの前面と音波放射口の２つの
音源から放射される音波の合成音圧がスピーカの前方主
軸上で最大感度をもつ指向性（全指向性と両指向性の組
み合わせで得られる指向性）を付与するものである。

【０００６】受音位置において、音波放射口から放射さ
れる音波には、スピーカの前面から放射される音波に対
して、低域フィルタの群遅延時間による時間遅れと、θ
（スピーカの主軸からの角度）で変化する空間伝播に係
る時間遅れが生じる。これらの時間遅れによって、全指
向性と両指向性の組み合わせで得られる指向性が付与さ
れる。これにより、スピーカボックスの寸法や形状に関
係なく任意の群遅延時間を設定して所望の指向性を超低
域周波数まで安定して得ることが可能となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、この
発明の実施の形態を説明する。図１は実施の形態として
のスピーカ装置１０を示している。直方体状のスピーカ
ボックス１１の一の端面にスピーカ１２が取り付けられ
ると共に、この一の端面とは異なる端面（図では上面）
に音響抵抗材料１４で覆われた円形の音波放射口（開口
部）１３が設けられる。この音波放射口１３はスピーカ
振動板の背面から出る空気振動を外部に音波として放射
するためのものであり、その中心を貫通する軸がスピー
カ１２の主軸（基準軸）の方向に延びるように形成され
る。

【０００８】スピーカ装置１０の電気系および音響系を
機械系に等価変換した機械系の等価回路は、中・低域周
波数において、図２のように表される。図において、Ｆ
は振動板を動かす起振力であり、定電圧駆動では、
（１）式のように表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】ｓ₀は振動板の支持弾性体の等価スチフネ
ス、ｒ₀は電磁制動抵抗を含めた等価機械抵抗、ｍ₀は振
動板の実効質量である。ｓ₁はスピーカボックス内空気
の弾性を振動板の面積に換算した等価スチフネスで、ス
ピーカボックス内空気の体積をＶ、振動板の有効面積を
Ａとして、（２）式で表される。

【００１１】

【数２】

【００１２】ｒ₁は音波放射口１３の音響抵抗材料１４
の音響抵抗を振動板の面積に換算した等価機械抵抗、ｍ
₁は音波放射口１３の構造と音波放射に依存する音響質
量を振動板の面積に換算した等価質量である。Ｖ₁は振
動板の振動速度、Ｖ₂は音波放射口１３の空気の振動速
度を振動板の面積に換算した等価な振動速度である。

【００１３】なお、上述したスピーカ装置１０におい
て、スピーカ１２の振動板側と音波放射口１３側にそれ
ぞれ放射抵抗が存在し、この放射抵抗に供給されるパワ
ーが音響パワーとして空気中に放射される。しかし、放
射抵抗はｒ₀，ｒ₁に比べて極めて小さな値であり、
Ｖ₁，Ｖ₂には影響を与えないので、図２の等価回路上で
は省略している。

【００１４】次に、図３を使用して、スピーカ１２の前
面（スピーカ振動板の前面）と音波放射口１３の２つの
音源から放射される音波の合成音圧について理論解析す
る。ここでは、スピーカ１２の前面と音波放射口１３の
２つの音源のスピーカ１２の主軸方向の空間距離をｄと
する。また、スピーカ１２の前面と音波放射口１３の２
つの音源から放射される音波の水平面内での一方向成分
に着目し、主軸のスピーカ前面方向を０°として、主軸
と着目する方向（受音位置の方向）とのなす角を反時計
方向にθとする。

【００１５】図において、ｄが８〜１０ｃｍであり、受
音位置とスピーカ１２の間の距離ｒが１ｍ以上ある場合
には、スピーカ１２の前面と音波放射口１３の２つの音
源は、中・低域周波数においては、点音源とみなすこと
ができる。また、受音位置での音波は、ほぼ平面波とみ
なして差し支えない。

【００１６】このように取り扱うと、スピーカ１２の前
面から放射される音波の受音位置での音圧Ｐ₁は、振動
板の振動速度がＶ₁であるから、（３）式で表される。

【００１７】

【数３】

【００１８】次に、音波放射口１３から放射される音波
の受音位置での音圧Ｐ₂は、Ｐ₁に対して、ｄcosθなる
距離に該当する時間遅れを生じ、かつ、振動板背面の空
気振動に基づいているので負極性となり、（４）式で表
される。ただし、ｄ<<ｒである。

【００１９】

【数４】

【００２０】したがって、合成音圧Ｐ（θ）は、Ｐ₁＋
Ｐ₂であるから、（５）式で表わされる。

【００２１】

【数５】

【００２２】ここで、振動速度Ｖ₂は、図２の等価回路
から明らかなように、（６）式で表わされる。

【００２３】

【数６】

【００２４】（６）式は２次の低域フィルタ特性を示
し、通過帯域内で、ｓ₁，ｒ₁，ｍ₁で決まる一定値の群
遅延時間を生ずる。この時間遅れと、空間で得られるｄ
cosθ／ｃなるθで変化する時間遅れとが、両指向性と
全指向性を組み合わせた指向性をもたらすこととなる。
そこで、（６）式を（５）式に代入して整理すると、ω
／ｃ＝ｋとおいて、（７）式のようになる。

【００２５】

【数７】

【００２６】（７）式において、｛｝内の第１項を級数
展開すると、（８）式のようになる。

【００２７】

【数８】

【００２８】（８）式から明らかなように、ｋｄ<<１の
周波数においては、ｊｋｄの１次以上の高次項を省略す
ると、（８）式はｃｏｓθとなる。よって、（７）式の
｛｝内の第１項は、両指向性成分を表わすものとなる。
これに対して、（７）式の｛｝内の第２項と第３項はθ
に依存しないので、全指向性成分を表すものとなる。

【００２９】そこで、（９）式のようにおき、Ｐ（θ）
を正面方向（θ＝０゜）の音圧Ｐ（０゜）で基準化して
示すと、ｋｄ<<１の周波数では、（１０）式のように表
される。

【００３０】

【数９】

【００３１】

【数１０】

【００３２】（１０）式より明らかなように、合成音圧
Ｐ（θ）は、両指向性成分と全指向性成分を組み合わせ
た指向性をもつ。両成分の配分は、全指向性成分を表わ
すαの値により変えることができる。このαは、（９）
式から明らかなように、ｒ₁／ｓ₁とｄ／ｃの比を表わし
ている。ｒ₁／ｓ₁は、図２において、ｒ₁，ｓ₁，ｍ₁で
構成される低域フィルタの通過帯域内での群遅延時間を
表わしている。ｄ／ｃは、スピーカ１２の前面と音波放
射口１３の２つの音源の主軸方向の空間距離ｄを音波が
伝播するために要する時間である。

【００３３】図４は、αの値が０．５，１．０，２．０
の場合について、（１０）式から指向性パターンを計算
したものである。

【００３４】（１０）式において、α≦１の場合には、
ある角度でＰ（θ）が零になる。しかし、α＞１では如
何なる角度でもＰ（θ）が零になることはない。α≦１
の場合に、Ｐ（θ）が零になる角度θをθ₁とおくと、
図４に示すように、α＝１ではθ₁は１８０°、α＝
０．５ではθ₁は１２０°と２４０°の２方向になる。
このように、θ＝θ₁においてＰ（θ）が零になるの
は、（８）式で表わされる両指向性成分に存在するｊｋ
ｄの１次以上の高次項を省略したからである。しかし、
実際にはその高次項が存在するので、周波数が高くなる
につれて両指向性成分の指向性パターンが真円の８字形
とはならなくなる。その結果、合成指向性パターンも
（１０）式で示される基本的な指向性パターンとは異な
ってくる。つまり、指向性の劣化をもたらす。

【００３５】この指向性劣化の程度を、より高い周波数
まで少なくするには、（８）式で表される両指向性成分
に存在するｊｋｄの１次以上の高次項を、ある角度にお
いて、全指向性成分を用いて、より高い次数まで打ち消
すようにすればよい。（７）式と（８）式をみると、
（７）式の｛｝内の第３項により、（８）式のｊｋｄの
１次の項を、ある角度において打ち消すことができる。

【００３６】そこで、（７）式の｛｝内の第３項につい
て、（１１）式のようにおき、相殺する角度θをθ₂と
おくと、相殺の条件は、（１２）式で表される。（１
２）式において、ｃｏｓ²θ₂は、θ₂＝０°〜３６０°
の範囲で、ｃｏｓ²θ₂≦１である。したがって、（１
２）式を満足するβの値はβ≦０．５となる。

【００３７】

【数１１】

【００３８】

【数１２】

【００３９】図５は、α＝１（単一指向性）の場合につ
いて、βの値を０〜１まで５段階に変えて、θが９０°
と１８０°の角度におけるＰ（θ）／Ｐ（０°）の周波
数による変化を、（７）式に基づいて求めた結果であ
る。ここで、β＝０の条件はｍ ₁＝０を意味する。しか
し、実際にはｍ₁を零にすることはできないので、β＝
０の条件は実現不可能である。

【００４０】図５から明らかなように、ｋｄ≦０．４の
低い周波数では、スピーカ１２の背面方向（θ＝１８０
°）の合成音圧レベルが正面方向（θ＝０°）に比べて
２０ｄＢ以上低下し、横方向（θ＝９０°）の合成音圧
レベルが正面方向に比べて６ｄＢ低下する単一指向性パ
ターンとなる。しかし、周波数が高くなるにつれて指向
性が劣化し、ｋｄ≒πの周波数で、ほとんど指向性をも
たなくなる。この指向性の劣化程度は、βの値により異
なっている。

【００４１】図６は、ｋｄ＝１．５（ｄ＝７ｃｍでは、
ｆ＝１．２ＫＨｚ）の周波数における指向性パターンが
βの値により変化する様子を示したものである。図から
明らかなように、βの値は零にはできないが、なるべく
小さな値に設定することが、より高い周波数まで良好な
指向性を得るうえで必要である。βの値を０．５以下に
設定するとき、ｋｄ＝１．５の周波数が指向性の実質的
な高域限界とみられる。

【００４２】以上の理論的な検討は、スピーカ１２の前
面と音波放射口１３が理想的な点音源とみなすことがで
きる中・低域周波数についてである。しかし、実際に
は、スピーカ１２の振動板および音波放射口１３が有限
な面積を持っているので、中・高域周波数ではそれぞれ
の放射音波そのものが指向性を持つようになる。したが
って、上述したように群遅延時間を利用した指向性の付
与は、スピーカ自身の放射音波が指向性をもたない中・
低域周波数に適用するのが妥当である。

【００４３】こうしたスピーカ自身の指向性について
は、スピーカを取り付けるスピーカボックスの寸法、形
状およびスピーカの口径などで異なる。しかし、指向性
が付き始める限界の周波数はスピーカの口径と逆比例の
関係にあり、既に知られている理論解析および実測結果
などを検討すると、次のようになる。すなわち、スピー
カ振動板の有効直径をＤとすると、指向性が付き始める
限界の周波数は、（１３）式を満足する周波数とみなす
ことができる。

【００４４】

【数１３】

【００４５】（１３）式を放射音波の波長λで表わす
と、ω／ｃ＝２π／λの関係から、４Ｄ＝λであり、放
射音波の波長λが振動板有効直径Ｄの４倍の周波数とみ
てよい。そこで、上述したように群遅延時間を利用した
指向性の付与を指向性が付き始める限界の周波数以下の
周波数範囲に適用するには、以下に示すような設定条件
が妥当である。

【００４６】図１に示すスピーカ装置１０において、指
向性の実質的な高域限界は、先に述べたように、（１
４）式を満足する周波数とみてよい。

【００４７】

【数１４】

【００４８】そこで、この周波数を、スピーカ１２自身
の放射音波に指向性が付き始める周波数、すなわち（１
３）式を満足する周波数に設定するのが順当と考える。
したがって、設定条件は（１３）、（１４）式より、
（１５）式のようになる。

【００４９】

【数１５】

【００５０】つまり、スピーカ１２の前面と音波放射口
１３の２つの音源の主軸方向の空間距離ｄを、スピーカ
振動板の有効直径Ｄに等しく設定するのが妥当である。
なお、この設定条件は指向性がα＝１の単一指向性を中
心に、α＝０．５〜２．０の範囲の指向性についても成
り立つ。

【００５１】次に、指向性を単一指向性とした場合の実
施例について述べる。

【００５２】スピーカ１２としてダイナミックスピーカ
を使用し、口径は８ｃｍ、振動板の有効直径は７ｃｍ、
有効面積は３８．５ｃｍ²である。スピーカボックス１
１は直方体形状で、スピーカ取付面の寸法が縦、横８．
６ｃｍ、奥行きは１４ｃｍ、スピーカボックス内空気の
体積は６００ｃｍ³である。音波放射口１３は円形で、
スピーカボックス１１の上面に設けられ、その音波放射
口１３の実効面積は２６ｃｍ²である。また、スピーカ
１２の前面と音波放射口１３の２つの音源の主軸方向の
空間距離ｄは、（１５）式の条件から７ｃｍに設定され
ている。

【００５３】音波放射口１３の音響抵抗材料１４の音響
抵抗は、（２）、（９）式よりスピーカ振動板の面積に
換算した等価機械抵抗で表わすと、ＭＫＳ単位でｒ₁＝
０．７４５（ｋｇ／ｓｅｃ）である。したがって、音波
放射口１３の実効面積で表わした等価機械抵抗ｒ₁′
は、音波放射口１３の実効面積をＡ₁とすると、（１
６）式となる。したがって、音波放射口１３の音響抵抗
材料１４の音響抵抗密度（単位面積当りの等価機械抵
抗）は、（１６）式をＡ₁で除して、１３０．８（ｋｇ
／ｓｅｃ・ｍ²）となる。

【００５４】

【数１６】

【００５５】図７の実線ａ、一点鎖線ｂ、破線ｃは、こ
の実施例のスピーカ装置１０の出力音圧指向周波数特性
を示しており、中・低域周波数で単一指向性を持つこと
がわかる。スピーカ自身の指向性が付き始める限界の周
波数は、振動板の有効直径が７ｃｍの場合、（１３）式
から、約１．２ＫＨｚとなる。したがって、ｄ＝Ｄ＝７
ｃｍに設定したことにより、約１．５ＫＨｚ以下の周波
数で、実用上十分とみられる単一指向性が得られてい
る。図７の実線ｄ、一点鎖線ｅ、破線ｆは、音波放射口
１３を設けなかった場合の出力音圧指向周波数特性を示
しており、中・低域周波数では指向性を持っていない。

【００５６】なお、上述実施の形態では説明していない
が、図１のスピーカ装置１０において、音波放射口１３
の面積を可変する開口面積可変手段を設けるようにして
もよい。この開口面積可変手段としては、例えばカメラ
のアイリス機構に類したものを考えることができる。音
波放射口１３の面積を変化させると、音波放射口１３の
音響抵抗および音響質量が変化し、これら音響抵抗およ
び音響質量とスピーカボックス内空気の呈する音響容量
とで構成される低域フィルタを通じて音波放射口１３か
ら放射される音波の通過帯域内での群遅延時間が変化す
る。よって、開口面積可変手段を設けることにより、群
遅延時間を任意に調整でき、ユーザは指向特性の調整を
簡単に行うことができる。

【００５７】また、上述実施の形態の説明における数値
に限定されることなく、音波放射口１３の口径や音響抵
抗材料１４の音響抵抗密度は適宜選択可能である。

【００５８】

【発明の効果】この発明によれば、音波放射口の音響抵
抗および音響質量とスピーカボックス内空気の呈する音
響容量とで低域フィルタを構成し、この低域フィルタを
通じて音波放射口から放射される音波の通過帯域内での
群遅延時間を利用して指向性を得るものである。そのた
め、スピーカボックスの寸法や形状に関係なく任意の群
遅延時間を設定して所望の指向性を超低域周波数まで安
定して得ることができる。

【００５９】例えば、群遅延時間を、スピーカの前面と
音波放射口の２つの音源の主軸方向の空間距離を音波が
伝播するために要する時間の１／２〜２倍に設定するこ
とで、ハイパーカージオイド、カージオイド（単一指向
性）など、全指向性と両指向性を組み合わせた指向性を
付与できる。

【００６０】また、スピーカの前面と音波放射口の２つ
の音源の主軸方向の空間距離をスピーカ振動板の有効直
径の０．７〜１．５倍の値に設定することで、スピーカ
自身の指向性が付き始める周波数以下の周波数範囲に限
定して、所望の指向性を効果的に付与できる。

【００６１】さらに、音波放射口の面積を可変する開口
面積可変手段を設けることで、音波放射口から放射され
る音波の通過帯域内での群遅延時間を任意に調整でき、
ユーザは所望の指向性を得るように簡単に調整できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態としてのスピーカ装置を示す斜視図
である。

【図２】機械系の等価回路を示す回路接続図である。

【図３】合成音圧の理論解析のための図である。

【図４】αを変化させた場合の指向性パターンを示す図
である。

【図５】βの値による指向周波数特性の変化を示す図で
ある。

【図６】βを変化させた場合の指向性パターンを示す図
である。

【図７】出力音圧周波数特性を示す図である。

【符号の説明】

１０スピーカ装置１１スピーカボックス１２スピーカ１３音波放射口１４音響抵抗材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スピーカボックスの一の端面にスピーカ
を取り付けると共に、上記スピーカボックスの上記一の
端面とは異なる端面に音響抵抗材料で覆われた音波放射
口を設け、上記スピーカボックス内の空気の呈する音響容量と上記
音波放射口の音響抵抗および音響質量とで音響的な低域
フィルタを構成し、上記低域フィルタを通じて上記音波放射口から放射され
る音波の通過帯域内での群遅延時間を利用して、上記ス
ピーカの前面と音波放射口の２つの音源から放射される
音波の合成音圧が上記スピーカの前方主軸上で最大感度
をもつ全指向性と両指向性の組み合わせで得られる指向
性を付与することを特徴とするスピーカ装置。
【請求項２】上記群遅延時間を、上記スピーカの前面
と音波放射口の２つの音源の上記主軸方向の空間距離を
音波が伝播するために要する時間の１／２〜２倍に設定
することを特徴とする請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項３】上記スピーカの前面と音波放射口の２つ
の音源の上記主軸方向の空間距離を、上記スピーカを構
成する振動板の有効直径の０．７〜１．５倍の値に設定
することを特徴とする請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項４】上記音波放射口の面積を可変するための
開口面積可変手段を備えることを特徴とする請求項１に
記載のスピーカ装置。