JPS63999B2 - - Google Patents

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JPS63999B2
JPS63999B2 JP51155239A JP15523976A JPS63999B2 JP S63999 B2 JPS63999 B2 JP S63999B2 JP 51155239 A JP51155239 A JP 51155239A JP 15523976 A JP15523976 A JP 15523976A JP S63999 B2 JPS63999 B2 JP S63999B2
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JP
Japan
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diaphragm
core
skin
thickness
equation
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Jun Kishigami
Masaaki Nishimura
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
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    • H—ELECTRICITY
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、スピーカユニツトの振動板に使用し
て好適な振動板材料の新規な構造に関する。 一般に、スピーカユニツトは、出力信号によつ
て駆動されるボイスコイルが、これと連続的に接
続された振動板を振動するように構成されている
が、スピーカの動作は音圧周波数特性を維持する
ためにいわゆるピストン振動領域内で駆動される
ことが必要である。そのため、スピーカユニツト
の音圧周波数特性を向上させるには、ピストン振
動領域の限界値を引き上げる考慮が従来行なわれ
ている。つまり、ピストン振動領域の限界値以上
の高い周波数で駆動するといわゆる分割振動が発
生し、音質が劣化してしまうためピストン振動領
域の限界値を引き上げる必要がある。 そこで、本発明の説明に先立つて、従来におけ
るピストン振動領域の限界値の引き上げ方法につ
いて説明するに、まず、円形平面振動板を例に採
りながら数式を用いて説明しよう。 平面振動板においては、ピストン振動領域の限
界値すなわち分割振動は、第１図に示すような各
モード（破線図示参照）をもつことは従来知られ
ている。このうち（０、ｍ）モード（ｍ＝０、
１、２…）は従来の円錐状振動板で発生する分割
振動といわれていたモードに相当する。これらの
モードが生ずる周波数は第１図中の周波数パラメ
ータλ2nｍを用いて次のように表わされる。 ａ：振動板の半径 Ｄ：振動板の曲げ剛性 σ：振動板の面密度 この第(1)式により明らかなように、分割振動の
周波数は、振動板の曲げ剛性Ｄが大きい程、振動
板の半径ａ及び面密度σが小さい程高域となる。
但し振動板の半径ａは所望の大きさに予め設定さ
れるので、実質的な分割振動周波数の限界は曲げ
剛性Ｄ及び面密度σによつて決定される。 今、通常の等方性の平面板について考えると、 Ｄ＝Et3／12（１−ν2）、σ＝ρt ……(2) Ｅ：板材料の縦弾性係数 ν：ポアソン比 ｔ：板材料の厚さ ρ：密度 となり、結局第(1)式右辺のＤ／σは、 Ｄ／σ＝Et2／12（１−ν2）ρ ……(3) となる。なおポアソン比νは0.1〜0.5の範囲内の
値を示すので、Ｄ／σには直接影響しない。 そこで現在使用されうる平板形振動板よりなる
スピーカとしては、例えばベリリウムを用いたも
のが考えられらる。このベリリウムはＥ／ρが最
も大きいものとして知られている。30cmスピーカ
ユニツトの振動板の有効径が24cmであるので、直
径24cmの円板とし、振動板質量をある程度の能率
を維持するため30ｇとして、面密度σを0.663
Kg／cm2、厚さｔを0.36mmと設定する（ポアソン比
νを0.3とする）ことにより、分割振動の最低次
モードである（２、０）モードの起こる周波数
f2.0は、第(1)式に代入してf2.0＝77.1Hzとなる。こ
れはピストン振動領域の限界が77.1Hzということ
であり、ほとんど実用に供しえない。しかも実
際、振動板を駆動するには、ボイスコイル等が取
り付けられ、結局その質量が影響するため、更に
低下する。 したがつて、通常の等方性の平面板では初期の
目的を達成することができないことが判明する。 このような点にかんがみ、従来では発泡スチロ
ールよりなるコアの両面にアルミ合金よりなるス
キンを貼着した複合振動板が開発されている。具
体的にはスキンとして厚さ30μのアルミ合金、コ
アとして厚さ12mmの発泡スチロール、振動板の有
効径寸法2aが24cm、振動板質量29.1ｇ（内接着剤
９ｇ）、ボイスコイル質量7.5ｇのものが用いられ
る。この場合、スキンの密度ρfは2690Kg／m3コア
の密度ρcは23.5Kg／m3、スキンの縦弾性係数Efは
７×1010N／m2、コアのせん断弾性係数GCは3.5
×106N／m2である。 第２図は前述の複合板の拡大斜視図を示すもの
であるが、１はコア、２はスキンを示す。このよ
うな複合板３の一辺の長さｌの梁についての等価
的曲げ剛性Ｄは次のようになる。なお両面のスキ
ンの厚さtfは同一寸法とする。 Ｄ＝EfGCtft2l2／2GCl2＋24Eftfｔ……(4) Ef：スキン２の縦弾性係数 GC：コア１のせん断弾性係数 tf：スキン２の厚さ ｔ：複合板３の厚さ 一方、面密度σは次のようになる。 σ＝ρctc＋2ρftf ……(5) ρc：コア１の密度 ρf：スキン２の密度 したがつて、前述した従来の発泡スチロールを
コアに、アルミ合金をスキンに夫々用いた複合振
動板についての等価的曲げ剛性Ｄを第(4)式により
求めれば、コア１のせん断弾性係数GCが3.5×
106N／cm2であるので、ほぼ60.9Nｍとなる。よつ
て、第(4)式で得られた等価的曲げ剛性Ｄと第(5)式
で得られた面密度σとを第(1)式に代入して分割振
動値を求めると、f01≒680Hz、f02≒1.8KHzを得る
ことができる。第３図は上記従来例における振動
板の音圧周波数特性を示す。 結局、上記従来例においてはピストン振動領域
の限界値が約680Hzとなり、同じ大きさのコーン
型スピーカに較べて良好であるが、未だ不十分で
ある。この原因の１つとしては、コア１のせん断
弾性係数GCが極端に低いためであると考えられ
る。 一方、ボードスピーカに用いられる振動板材料
として二枚の紙製ライナー間にハニカムコアを中
芯として用いた複合振動板が知られている（例え
ば特開昭49−64417号公報）。これは絵画、写真等
を貼着して装飾用として用いられるパネルの額面
を振動板としてパネル型スピーカに使用される振
動板であり、純音響学的に考慮されたものではな
い。すなわち厚さ0.1mmのライナーの密度ρfは800
Kg／m3であり、厚さ12mmのハニカムの密度ρcは
25.6Kg／m3である。またライナーの縦弾性係数Ef
は３×109N／m2、ハニカムのせん断弾性係数GC
は4.1×107N／m2である。その他の数値は前述例
とほぼ同じとして、第(1)式、第(4)式及び第(5)式に
より分割振動値を求めると、f01≒435Hz、f02≒
1.1KHzが得られる。 したがつて、このような複合振動板は、純音響
学的に考察すれば、周波数特性、指向特性等の諸
特性を十分に満足するものではない。 本発明は上述した従来の欠点にかんがみ、コア
のせん断弾性係数及び等価的曲げ剛性の必要にし
て十分なる範囲の材料を組合せることにより、分
割振動値の引上げを図り、もつて純音響学的諸特
性を向上せしめることを目的とするものである。 以下本発明について詳細に説明するに、まず前
記第(4)式は、等価的曲げ剛性Ｄとコア１のせん断
弾性係数GCの関係式であることが判る。第４図
は第(4)式の関係を表わしたものである。この図で
わかるように、せん断弾性係数GCが小さい範囲
では、等価的曲げ剛性Ｄはせん断弾性係数GCに
比例的に増加するが、一定のせん断弾性係数GCO
以上になると、等価的曲げ剛性Ｄは増加せず一定
の値を維持することが理解される。そこで一定の
せん断弾性係数GCOより大きい範囲における曲げ
剛性Ｄの値は次のようになる。 Ｄ＝Eftft2／２ ……(6) この場合、σ＝σDとし、このσDを一定として第
(5)式と第(6)式とにより曲げ剛性Ｄを最大にするス
キンの厚さtf及びコアの厚さtcの条件を求めれば、 tf＝σD／６（ρf−ρc）、tc＝2ρf−3ρc／3ρc（ρf
−ρc）・σD……(7) となる。ゆえにこれらの条件を第(6)式に代入して
最大曲げ剛性Dmaxを求めれば、 Dmax＝EfσD 3／27ρc 2（ρf−ρc）≒σD 3／27・Ef／ρ
f・１／ρc 2……(8) となる。なお、
【式】は通常縦波伝播速度Cf を表わしているので、第(8)式における最大曲げ剛
性Dmaxは、スキン２の縦波伝播速度Cfを増加さ
せ、コア１の密度ρcを減少するように考慮すれば
よい。但し、以上の説明はほぼ理想状態で考慮し
ているが、実際には各材料を接着するための接着
剤が必要であり、この接着剤の影響が現われる。
接着剤の影響は面密度σの増加となつて現われる
ため、第(8)式における面密度σDは30％程度理想状
態より少なくして考える必要がある。またコア１
の密度ρcも、一定の限界がある。つまり、第４図
に示す如く、コア１のせん断弾性係数GCは一定
のせん断弾性係数GCO付近に保つ必要があるた
め、この点を考慮してコア１の密度ρcは、実際の
材料中最低のほぼ25Kg／m3に設定される。そして
第(1)式における分割振動周波数のうちf01を、指
向性を考慮してほぼ1000Hzに仮定することによ
り、縦波伝播速度Cfを求めれば約4160ｍ／secが
得られる。但し、スキン２の厚さtf等のばらつき
を考慮しなければならないので、実際上スキン２
の縦波伝播速度Cfは5000ｍ／sec程度が必要であ
る。なおコア１のせん断弾性係数については、実
際には第(4)式及び第４図を参照して明らかな如
く、曲げ剛性との均衡が必要である。その均衡点
は一定のせん断弾性係数GCOである。このGCOは
第(4)式により、 GCO＝12Eftfｔ／l2 ……(9) となる。結局、振動板の寸法とスキンの材質とが
決定されれば、一定のコアの密度ρcを仮定しなが
ら第(7)式よりtf、tcを求め、更に第(9)式よりGCOを
算出して、これに適合する材質を選択するという
手順を繰返せば、その他の材質、定数を決定する
ことができる。 以上が本発明の内容であるが、以上の手順を利
用して具体的な材質の決定について次に説明しよ
う。 本発明の具体例として、第２図におけるスキン
として厚さ30μのアルミ合金材を用い、コアとし
て厚さ12mmのアルミ合金ハニカムを用いた場合に
ついて説明するに、コア１のせん断弾性係数GC
は4.1×107N／m2である。ここで面密度σDを接着
剤を考慮して0.46Kg／m2とすれば、第(7)式よりス
キン２の厚さtf及びコア１の厚さtcは夫々28.8μ及
び11.9mmとなる。スキン２の縦波伝播速度は第(8)
式より5120ｍ／secであるので、第(8)式により曲
げ剛性Ｄは約153N・ｍとなる。したがつて、分
割振動値を求めれば第(1)式により、f01≒1170Hz
となる。第５図は以上の実施例についての音圧周
波数特性図であるが、この実測値によれば、f01
は約1050Hzとなり若干のばらつきがあるが、これ
は厚さのばらつきによるものである。 なお第６図は、第４図と同様の線図で、上記本
発明の実施例と、従来の第１及び第２例で用いた
スキン及びコアによる曲げ剛性及びせん断弾性係
数の関係を表わした線図である。点ａは本発明の
実施例の場合、点ｂは従来の第１例の場合、点ｃ
は従来の第２例の場合を夫々示している。この線
図よりわかるように、本発明実施例及び従来の第
１例に用いたスキンは厚さ30μのアルミ合金であ
るため、曲線Ａ上にほぼ位置する。また本発明実
施例及び従来の第２例に用いたコアは厚さ12mmの
アルミハニカムであるため、点線Ｂ上にほぼ位置
する。 なお上述の例における複合振動板の具体的材料
及び平面形状は単に例示的に挙げたに過ぎずその
他の材料及び平面形状を除くものではない。 以上の如く、複合振動板において、スキンに縦
波伝播速度が5000ｍ／sec以上の材料を用い、ス
キンの縦弾性係数をEf、複合振動板の直径又は辺
の長さをｌ、スキンの厚さをtf、コアの厚さをtc
としたとき、 GCO＝12Eftf（tc＋2tf）／l2 で設定される値以上のせん断弾性係数をもつ材料
をコアに用いるようにしたので、従前の同一径又
は同一の辺の振動板に較べてピストン振動領域の
限界値の引き上げを行なうことができ、結局スピ
ーカユニツトに適用した場合におけるスピーカの
音圧周波数特性及び指向特性等の純音響学的諸特
性の向上を図ることができる。したがつて、従来
この種の複合振動板においては、分動振動数の向
上が望めなかつたため、クロスオーバー周波数を
低く設定しなければならなかつたが、本発明によ
れば、分割振動数の向上が図り得るので、クロス
オーバ周波数を上げることができ使用ユニツトの
個数を減らすなど、その用途が多いに拡張される
効果を有する。 なお、上述の説明にかかる本発明はスコーカ用
及びツイータ用スピーカに適用することを妨げな
い。但し、これらのスピーカについては、放射面
積がかなり小さくなるので、振動板の面密度を相
当小さくするだけでは不十分で、更にスキンの縦
波伝播速度を5000ｍ／sec以上の値に設定する必
要がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は円膜の振動形を表わした表、第２図は
複合振動板の拡大斜視図、第３図は従来例におけ
る振動板の音圧周波数特性図、第４図及び第６図
は曲げ剛性及びせん断弾性係数の関係の説明に供
する線図、第５図は本発明の一例における振動板
の音圧周波数特性図である。 １はコア、２はスキン、３は複合振動板であ
る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 中芯コアの両面にスキンが貼着された平板状
    の複合振動板において、上記スキンに縦波伝播速
    度が5000ｍ／sec以上の材料を用い、上記スキン
    の縦弾性係数をEf、複合振動板の直径又は辺の長
    さをｌ、スキンの厚さをtf、コアの厚さをtcとし
    たとき、 Gcp＝12Eftf（tc＋2tf）／l2 で設定される値以上のせん断弾性係数をもつ材料
    をコアに用いてなるスピーカ用複合振動板。
JP15523976A 1976-12-23 1976-12-23 Compound diaphtagm for speakers Granted JPS5379525A (en)

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