WO2011152433A1

WO2011152433A1 - スピーカ装置、音源シミュレーションシステム、およびエコーキャンセルシステム

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Publication number: WO2011152433A1
Application number: PCT/JP2011/062552
Authority: WO
Inventors: 新井　明
Original assignee: ヤマハ株式会社
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2011-12-08
Also published as: EP2579612A4; JP2011254272A; CN102918870B; CN102918870A; JP5002787B2; EP2579612A1; US8938084B2; US20130083937A1

Abstract

　スピーカユニットとバスレフポートとが設置されたエンクロージャからなるスピーカ装置であって、前記バスレフポートは、エンクロージャの外部に開口する外部開口部とエンクロージャの内部に開口する内部開口部を有し、端部から中心部に向かう軸方向に沿って中空断面の面積が徐々に小さくなる管状体を有し、当該管状体は、該中空断面の一方向の長さが前記軸方向に沿って変化しない形状であり、前記バスレフポートの内部開口部は、該バスレフポートを挟んで前記スピーカユニットと反対側に位置するスピーカ装置。

Description

スピーカ装置、音源シミュレーションシステム、およびエコーキャンセルシステム

　この発明は、バスレフ構造を備えたスピーカ装置に関するものである。

　従来、低音増強を行うスピーカ装置として、バスレフポートを設けた位相反転型エンクロージャがある（例えば、特許文献１参照）。

　しかし、バスレフポートは、スピーカ装置が小型になり、ポートの断面積が小さくなるほどポート内の空気の流速が早くなり、気流によるノイズが発生しやすくなり、ポート開口部において渦輪の空気流の飛び出しが発生する。また、ポート内の空気の流速が早くなると、ポート内の気流抵抗も増加し、低音増強効果が低下する。したがって、小型のスピーカ装置では、バスレフポートを用いることが少ない。

　一方、特許文献２には、ポートの形状を工夫することによりポート内の空気の流速を抑え、小型のスピーカ装置でもバスレフポートを用いることができるスピーカ装置が提案されている。

日本国特開２００８－４８１７６号公報日本国特開２００９－２６０９５２号公報

　しかしながら、スピーカ装置が小型になるほど、バスレフポートからの再生周波数が高くなる。また、スピーカ装置が小型になるほど、聴取位置とスピーカ装置の位置が接近するため、スピーカユニットとバスレフポートとの見かけ上の角度差が大きくなる。したがって、スピーカ装置が小型になるほど、バスレフポートの定位感が増し、スピーカユニットとバスレフポートは、別の位置に存在する音源として認識されることになる。すると、再生する音源の帯域によって、音源位置がスピーカユニットとバスレフポートとの間を移動することになってしまう。

　そこで、本発明は、バスレフポートに定位感が発生する小型のスピーカユニットを用いる場合においても音源位置が変化しないように構成したスピーカ装置を提供することを目的とする。

　この発明は、スピーカユニットとバスレフポートとが設置された位相反転型エンクロージャからなるスピーカ装置に関するものである。バスレフポートは、端部から中心部に向かう軸方向に沿って中空断面の面積が徐々に小さくなる管状体を有し、当該管状体は、中空断面の一方向の長さが前記軸方向に沿って変化しない形状を有する。

　このようなバスレフポートでは、管状体の一方の開口側の断面積がポート内部の断面積と比較して大きいため、管状体に引き込まれる流速は低くなり、管状体の開口端での乱流が抑制される。また、管状体は、中空断面の一方向の長さが前記軸方向に沿って変化しない一定寸法であるため、排気される空気は、一方向に向かって対向する壁面から中空部内の空気へ圧力がかかり続け、他方向に向かって拡散されることになる。このように壁面対方向からの圧力がかかり続け、他方向に向かって拡散されるため、排気流速が急激に低下することになる。これにより、バスレフポートから排出される流速は大きく低下し、空気流はほとんど発生せず、渦輪の空気流の飛び出しも発生しないことになる。

　そして、本発明のスピーカ装置では、バスレフポートのエンクロージャ内部側の開口部は、該バスレフポートを挟んでスピーカユニットと反対側に設けられている。このように、バスレフポートの内部側開口部を、バスレフポートを挟んだスピーカユニットの反対側に設けたことにより、もう一方の開口部（外部側開口部）がスピーカユニットに近づくことになる。特に、スピーカユニットとバスレフポートの外部開口部の位置が近接すると、ほぼ１つの点音源として定位することになり、バスレフポートに定位感が発生するような小型スピーカにおいても、周波数によって音源位置が変化しない。

　バスレフポートは、具体的には以下の構造を有する。
　すなわち、バスレフポートは、前記軸方向が前記スピーカユニットの音波放出方向と直交して設置され、バスレフポートのエンクロージャ外部側の開口部は、前記スピーカユニットの音波放出方向と同一の方向に設けられている。つまり、スピーカユニットの放音方向とバスレフポートの開口部の放音方向が一致する。

　さらに具体的には、スピーカユニットの中心位置と前記外部開口部の中心位置との距離は、前記スピーカユニットの直径以下である。

　本発明のスピーカ装置におけるバスレフポートは、上述のような流速低減作用を有するため、外部開口部の前方にグリルやパンチングメタルなどの外部構造物（開口率５０％以下の保護構造物）を近接させたりしても、外部開口部においてはほとんど空気流が存在しないため、排気された渦輪の空気流が保護構造物に衝突して雑音が発生することもない。したがって、ノート型パーソナルコンピュータ等のスピーカ保護用として一般的に用いられている開口率の低いパンチングメタルが設置されていたとしてもバスレフポートを用いることができる。

　また、本発明のスピーカ装置は、仮想音源位置から聴取者に至る伝達関数（頭部伝達関数）を用いて音場再現を行うバーチャルサラウンド等の点音源シミュレーションシステムに好適である。頭部伝達関数による仮想音源のシミュレーションは、点音源を前提としているため、バスレフポートの定位感が増すと、点音源として認識できなくなり、正確な音場再現を行うことができない。しかし、本発明のスピーカ装置であれば、ほぼ１つの点音源として定位することになるため、正確な音場再現を行うことができる。

　また、本発明のスピーカ装置は、スピーカからマイクに至る帰還音響系の伝達関数を模擬し、スピーカに供給する音声信号をフィルタ処理することにより擬似エコー成分を生成し、生成した擬似エコー成分をマイクで取得した音声信号から除去するエコーキャンセラに用いる場合にも好適である。

　このエコーキャンセラは、帰還音響系の伝達関数を模擬する適応型フィルタが用いられるが、バスレフポートの定位感が増すと、音源が移動したり、音源が複数存在することになったりするため、伝達関数が頻繁に変化することになる。したがって、適応型フィルタが正確に伝達関数の推定ができなくなり、エコーキャンセル効果が低下する。本発明のスピーカ装置であれば、ほぼ１つの点音源として定位することになるため、正確な伝達関数の推定を行うことができる。

　この発明によれば、バスレフポートに定位感が発生する小型のスピーカユニットを用いる場合においても音源位置が変化しない。

第１の実施形態のスピーカ装置の外観斜視図である。図２（Ａ）は本実施形態のスピーカ装置の正面図であり、図２（Ｂ）は側面図である。図２（Ｃ）は図２（Ａ）に示すＡ－Ａ’面断面図であり、図２（Ｄ）は図２（Ａ）に示すＢ－Ｂ’断面図、図２（Ｅ）は図２（Ａ）に示すＣ－Ｃ’断面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は吸気状態の気流の様子を示す説明図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は排気状態の気流の様子を示す説明図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は開口部をパンチングメタルで塞いだ場合の音圧変化を示す図である。図６（Ａ）、（Ｂ）はバスレフポートの他の構造例を示した図である。実施例１に係るノート型パーソナルコンピュータの外観図である。実施例２に係るデスクトップ型パーソナルコンピュータの外観図である。実施例３に係るテレビの外観図である。実施例４に係るマイクスピーカの外観図である。（Ａ）、（Ｂ）は応用例に係るシミュレーションシステムの構成を示すブロック図である。

　まず、本発明の第１の実施形態に係るスピーカ装置１について、図１および図２を参照して説明する。図１および図２に示すように、スピーカ装置１は位相反転型エンクロージャ（キャビネット）１１にスピーカユニットＳＰおよびバスレフポート１０が設置されている。バスレフポート１０は、外部開口部１７および内部開口部１８を有する。

　キャビネット１１は、直方体形状からなり、互いに平行な前面板１２と背面板１３、天面板１４と底面板１５、および、側面板１６Ａと側面板１６Ｂにより形成されている。天面板１４と底面板１５との間隔は、他の板面同士の間隔より長い。実施形態では、天面板１４と底面板１５とを結ぶ方向を長手方向とし、側面板１６Ａと側面板１６Ｂとを結ぶ方向を短手方向とし、前面板１２と背面板１３とを結ぶ方向を奥行き方向と称する。

　キャビネット１１の容積は、スピーカユニットＳＰの電気的および機械的特性を考慮し、周波数特定を平坦とするために必要な容積に設定される。第１の実施形態では、一例として、直径３０ｍｍ、奥行２１．５ｍｍ、実効振動板半径が１１．５ｍｍ、最低共振周波数３００Ｈｚ、定格出力２Ｗのフルレンジスピーカユニットを用い、内容積が８０ｃｃの場合にほぼ平坦な周波数特性が得られたものとして説明する。

　一般的に、バスレフポートの共振周波数は、スピーカユニットの最低共振周波数の０．７～０．５倍程度の周波数に設定されるため、第１の実施形態では、バスレフポートの共振周波数を１５０Ｈｚとする。１５０Ｈｚから３００Ｈｚに至る周波数帯域では、バスレフポート１０およびスピーカユニットＳＰから放出される音の比率は連続的に変化する。この様な低出力、小型のスピーカユニットでは、聴取者は、スピーカ装置に近い位置（例えば７５０ｍｍ離れた位置）で音を聴取することになる。

　キャビネット１１の長手方向の内寸は、スピーカユニットＳＰおよびバスレフポート１０が長手方向に順に並ぶ長さ以上必要である。キャビネット１１の短手方向の内寸は、スピーカユニットＳＰの幅によって決まる。キャビネット１１の奥行きの内寸は、スピーカユニットＳＰの奥行きによって決まる。キャビネット１１はできるだけ薄型、小型に設計することが望ましい。例えば、第１の実施形態では、バスレフポート１０は、１５０Ｈｚで共振させる必要があるため、外部開口部１７を除いた長手方向の長さは約１００ｍｍ程度必要である。したがって、キャビネット１１の長手方向の内寸は１６１ｍｍ（外寸は１６５ｍｍ）、奥行きの内寸は２０ｍｍ（外寸は２４．５ｍｍ）、短手方向の内寸は３２ｍｍ（外寸は３５ｍｍ）としている。

　前面板１２は、スピーカユニットＳＰが設置されるとともに、外部開口部１７が形成されており、バッフル板として機能する。ここで、スピーカユニットＳＰは、前面板１２の長手方向における天面板１４付近に設置されており、バスレフポート１０の外部開口部１７は、スピーカユニットＳＰの直近に形成されており、内部開口部１８は、バスレフポート１０を挟んでスピーカユニットＳＰと反対側（底面板１５付近）に形成されている。この例では、外部開口部１７はキャビネット１１の短手方向に長い長方形を有する。外部開口部１７をこのような形状とすることで、外部開口部１７はよりスピーカユニットＳＰの近くに形成されることができる。この例では、スピーカユニットＳＰの中心位置と外部開口部１７の中心位置との距離は２３．５ｍｍとし、スピーカユニットＳＰの直径以下となっている。この場合、７５０ｍｍ離れた聴取者の位置において、スピーカユニットＳＰとバスレフポート１０の放出した音の到達時間差（位相差に相当する。）は、１．１５μｓｅｃ程度となる。なお、スピーカユニットＳＰ及び外部開口部１７はキャビネット１１の長手方向における中心位置より片側に位置する。

　人の聴覚は１５０Ｈｚ以下の超低域に対して方向感覚を持たないが、第１の実施形態では、バスレフポートの共振周波数を１５０Ｈｚとしているため、バスレフポート１０にも定位感が発生している。すなわち、一般に、人は１６００Ｈｚ以下の周波数では、位相差によって定位感を得ていると言われているが、１５０Ｈｚ～１７００Ｈｚ程度の帯域においては、定位感を得るための両耳の到達時間差の閾値は９μｓｅｃ程度であることが明らかとされている。特に、持続的なノイズの様な音は、６μｓｅｃ程度でも定位感を得ることができるとされている（Ｂ．Ｃ．Ｊ．ムーア「聴覚心理学概論」を参照）。

　したがって、スピーカユニットＳＰの中心位置と外部開口部１７の中心位置との距離が遠くなり、聴取位置が近くなると、両耳の到達時間差が大きくなり、再生する音源の帯域によって、音源位置がスピーカユニットとバスレフポートとの間を移動することになってしまう。例えば、第一の実施形態と同じスピーカユニットを用い、同内容積のキャビネットに従来型の直管の円筒バスレフポートを用いて構成したバスレフスピーカの場合には、スピーカユニットの中心位置と外部開口部の中心位置との距離が１４０ｍｍ離れるため、７５０ｍｍ離れた聴取者の位置において、到達時間差は３７．７μｓｅｃとなり、スピーカユニットとバスレフポートの放出した音を別の音源位置として認識することができるようになってしまう。すると、男性の声のような低い音はバスレフポート側、女性の声のような高い音はスピーカユニット側から聞こえるように感じてしまい、聴感上好ましくない。また、同じ音がスピーカユニットとバスレフポートから同時に放出されると、点音源とみなせないほどの広がり感をもってしまうため、音の明りょう感がなくなり、音質的にも劣化するものと考えられる（ステレオ再生用の音場は、点音源を前提にしている）。

　しかし、本実施形態のスピーカ装置は、７５０ｍｍ離れた聴取者の位置において、スピーカユニットＳＰとバスレフポート１０の放出した音の到達時間差は、１．１５μｓｅｃ程度となるため、最小閾値とされる６μｓｅｃよりもはるかに短い。したがって、ほぼ一つの点音源として認識することができる。

　次に、バスレフポート１０の詳細な構造、機能について説明する。バスレフポート１０は、長手方向（軸方向）に延びる形状の主管部１００と、該主管部１００の軸方向の両端に接続された空気整流器１０１および空気整流器１０２とを有する。スピーカユニットＳＰ側の空気整流器１０１側に外部開口部１７が設けられ、空気整流器１０２側に内部開口部１８が設けられている。バスレフポート１０は、軸方向がスピーカユニットＳＰの音波放出方向と直交して設置され、外部開口部１７は、軸方向と異なる方向（スピーカユニットＳＰの音波放出方向）に開口するように設けられている。内部開口部１８は、キャビネット１１の底面から、外部開口部１７の軸方向の長さａ（および奥行き方向の長さａ）と同程度離れている。

　主管部１００、空気整流器１０１および空気整流器１０２は、中空の管形状であり、当該中空の長手方向に沿った中心軸が一致するように形成されている。主管部１００は、軸方向に垂直な中空断面の形状が円形であり、かつ当該中空断面積が長手方向の各位置で一定の中空管部１９０からなる。この中空管部１９０の長さおよび内径は、エンクロージャとして増強したい低音の周波数に基づいて設定される値である。この中空管部１９０の内径が細いほど主管部１００の長さを短くすることができる。中空管部１９０の内径断面積はスピーカユニットＳＰの有効面積よりも小さくなるように設定する（例えば、主管部１００の中空断面積は、スピーカユニットＳＰの有効面積の０．２～１．０倍に設定する）ことが望ましい。本実施形態では、中空管部１９０の長さは３０ｍｍ、内径は７ｍｍとしている。

　空気整流器１０１は、主管部１００の外部開口部１７側の開口端に接続されており、主管部１００への接続側から内径変換部１０３および主変換部１０４が連続的に形成されている。

　内径変換部１０３の中空の形状は、主管部１００側端部で中空管部１９０と同じ断面円形状となり、主変換部１０４側端部で中空管部１９０の内径と同じか該内径よりも若干長い縦横寸法からなる断面正方形状で形成されている。内径変換部１０３の壁面１３１～１３４は、内径変換部１０３の中空が上述のように断面円形状から断面正方形状へ徐々に変化するように成形されている。

　主変換部１０４の中空の形状は、内径変換部１０３側端部で内径変換部１０３と同じ断面正方形状であり、外部開口部１７側端部で内径変換部１０３側よりも広い面積からなる断面長方形状で形成されている。

　主変換部１０４の中空を形成する壁面１４１～１４４のうち、キャビネット１１の奥行き方向に対向する壁面１４１と壁面１４２は、内径変換部１０３の奥行き方向に対向する壁面１３１と壁面１３２とにそれぞれ接続する。この際、壁面１４１と壁面１４２とは向かい合う面同士が平行になるように設置されている。この構造により、壁面１４１と壁面１４２は、対向する面の間隔がどの位置であっても同じとなり、主変換部１０４は中空形状が奥行き方向に広がらない形状となる。この例では、キャビネット１１の短手方向に対向する壁面１４３と壁面１４４とは、内径変形部１０３側から外部開口部１７側へ進むにつれて、互いの間隔が指数関数値に準じて広がる形状で形成されている。

　このような構造とすることで、空気整流器１０１は、主管部１００に接続する側から外部開口部１７側にかけて、キャビネット１１の奥行き方向に対しては壁面の間隔を変化させることなく中空断面積が大きくなる形状となる。

　空気整流器１０２は、主管部１００を挟んでスピーカユニットＳＰの反対側に接続されており、主管部１００への接続側から内径変換部１０５および主変換部１０６が連続的に形成されている。

　内径変換部１０５の中空の形状は、主管部１００側端部で中空管部１９０と同じ断面円形状となり、主変換部１０６側端部で中空管部１９０の内径と同じか該内径よりも若干長い縦横寸法からなる断面正方形状で形成されている。内径変換部１０５の壁面１５１～１５４は、内径変換部１０５の中空が上述のように断面円形状から断面正方形状へ徐々に変化するように成形されている。

　主変換部１０６の中空の形状は、内径変換部１０５側端部で内径変換部１０５と同じ断面正方形状であり、スピーカユニットＳＰ側端部で内径変換部１０５側よりも広い面積からなる断面長方形状で形成されている。

　主変換部１０６の中空を形成する壁面１６１～１６４のうち、キャビネット１１の奥行き方向に対向する壁面１６１と壁面１６２は、内径変換部１０５の奥行き方向に対向する壁面１５１と壁面１５２とにそれぞれ接続する。この際、壁面１６１と壁面１６２とは向かい合う面同士が平行になるように設置されている。この構造により、壁面１６１と壁面１６２は、対向する面の間隔がどの位置であっても同じとなり、主変換部１０６は中空形状が奥行き方向に広がらない形状となる。キャビネット１１の短手方向に対向する壁面１６３と壁面１６４とは、内径変形部１０５側からスピーカユニットＳＰ側へ進むにつれて、互いの間隔が指数関数値に準じて広がる形状で形成されている。

　このような構造とすることで、空気整流器１０２は、主管部１００に接続する側から内部開口部１８側にかけて、キャビネット１１の奥行き方向に対しては壁面の間隔を変化させることなく中空断面積が大きくなる形状となる。

　このような構造のエンクロージャでは、スピーカユニットＳＰが振動することにより、次に示すような動作が生じる。

　図３および図４は、空気整流器１０２側（内部開口部１８）から吸気して、空気整流器１０１側（外部開口部１７）から排気する場合の気流の様子を、従来例の構造と比較して示す説明図である。

　図３（Ａ）は本実施形態の構成における吸気動作を示し、図３（Ｂ）は従来の単純な円筒形状のバスレフポートによる吸気動作を示す。また、図４（Ａ）は本実施形態の構成における排気動作を示し、図４（Ｂ）は外部開口端をトランペットのベルのように滑らかに全方向に拡げたバスレフポートによる排気動作を示す。なお、図３および図４において、図中の白抜きヘッドの矢印が気流を示し、矢印方向が気流方向、矢印の長さが流速を示す。

　従来の単純な円筒形状のバスレフポートでは、図３（Ｂ）に示すように、吸気時には全方向から空気が流入するため、角に渦が生じ、この渦が雑音を発生させる。

　一方、本実施形態のバスレフポート１０では、内部開口部１８は、主管部１００と比較して中空断面積が大幅に大きい。このため、空気整流器１０２の内部開口部１８側では、吸気流速が非常に低くなり、当該開口端での乱流が殆ど発生しない。なお、空気整流器１０２の中空断面積は、空気の進行方向に沿って指数関数値に準じて滑らかに小さくなるので、空気整流器１０２を通過中も乱流が発生しない。

　さらに、空気整流器１０２と主管部１００との接続部では、内径変換部１０５により空気整流器１０２の主変換部１０６に対応する断面方形状から主管部１００に対応する断面円形状に中空形状が滑らかに変換される。これにより、主管部１００に至って空気の流速が増しても、空気整流器１０２から主管部１００への流入時の乱流も発生しない。このように、空気整流器１０２は、吸気時の乱流を大幅に抑制し、これに基づく雑音の発生を大幅に抑制することができる。

　主管部１００は、既述の様にスピーカユニットＳＰの有効面積よりも小さな一定の中空断面積を有する。主管部１００は、空気整流器１０２から流入された空気を所定の流速で流し、空気整流器１０１へ出力する。この際、主管部１００を流れる空気流は壁との間に全方向に均一な圧力を生じているが、主管部１００が一定形の円管状であるので主管部１００内では乱流が発生することなく、所望の周波数でのヘルムホルツ共振を励起することができる。

　従来の単純な円筒形状のバスレフポートでは、外部開口部をグリルやパンチングメタル等の保護構造物で覆うとポート全体の空気抵抗が増大しバスレフ効率が著しく低下してしまう。また、従来の単純な円筒形状のバスレフポートでは、排気時に外部開口端において空気流のほとんどは直進し、開口端周囲の空気を巻き込んで渦輪の空気流を形成する。渦輪は一旦生成されると空気抵抗が非常に小さくなる性質を持つため遠方まで到達する。このため、外部開口部の前面にグリルやパンチングメタル等の保護構造物を設けると、この保護構造物に渦輪空気流が衝突して雑音を発生してしまう。従来のバスレフポートにおいては、外部開口端の角に丸みを持たせたものが多く見られるが、これらは主に外部開口端において吸気時に角で発生する渦による雑音を防ぐためのものであり、排気時に流速を低下させる効果や渦輪空気流の発生を防ぐ効果はほとんどない。例えば、図４（Ｂ）のように、外部開口端をトランペットのベルのように滑らかに全方向に拡げた場合、中空断面積の増加が穏やなうちは空気流は中空断面全体に拡がりながら進行し流れは減速してゆくが、しだいに中空断面積の増加が急になり空気流と壁との間の圧力が０となると空気流は壁に沿わず直進し、周囲の空気を巻き込んで渦輪の空気流を形成しポート外部開口部から渦輪空気流が外部に放出されてしまう。このようなポートにおいて、渦輪空気流を発生させずに流速を十分低下させるためには空気流が十分減速するまで壁と空気流の圧力が０とならない様にポートの拡大率を低く抑え徐々にポートの中空断面積を拡大する必要がある。すると、必然的にポートの長軸方向の長さが長くなり、同じバスレフ共振周波数を維持するためにはポートを太くする必要が生じ、ポートが大型化してしまう。このため、外部開口端をトランペットのベルのように滑らかに全方向に拡げたバスレフポートを小型スピーカに適応することは極めて困難と考えられる。

　一方、本実施形態のバスレフポートの場合、主管部１００と空気整流器１０１との接続部では、内径変換部１０３により主管部１００に対応する断面円形状から主変換部１０４に対応する断面方形状に中空形状が滑らかに変換される。

　空気整流器１０１の主変換部１０４は、中空断面積が空気の進行方向に沿って指数関数値に準じて滑らかに大きくなる。しかしながら、壁面１４１と壁面１４２との間隔が一定であるので、主変換部１０４内では、壁面１４１および壁面１４２方向へ拡散しようとする空気に対して、壁面１４１および壁面１４２から圧力が加わり続ける。このため、空気は、互いの距離が徐々に離間する壁面１４３と壁面１４４との方向へと押し広げられる。すなわち、主変換部１０４を流れる空気は、常に壁面１４１～１４４で囲まれた中空断面全体に拡がりながら流れる。このように、中空断面全体に拡がりながら流れる空気に対して、主変換部１０４では、急激に断面積が大きくなるので、流速は一気に低下する。そして、主変換部１０４の外部開口部１７に達するまでに流速は十分に低下し、排気の流速は主管部１００と比較して大幅に低くなり、空気流がほとんど発生しない状態となる。もちろん、主管部１００において所望の周波数でのヘルムホルツ共振を励起することができるため、外部開口部１７からは、バスレフ効果によって増幅された低音成分が放音される。

　この際、外部開口部１７からは空気流がほとんど発生しないため、バスレフポートの軸方向がスピーカユニットの音波放出方向と直交して設置され、軸方向と異なる方向（例えばスピーカユニットＳＰの放音方向）に外部開口部１７が設けられていたとしても、空気流が内部壁面に衝突して雑音が発生することがない。したがって、バスレフポート１０の軸方向とキャビネット１１の長手方向とを同一とし、スピーカ装置全体を小型化しながらも、スピーカユニットＳＰとバスレフポート１０の放音方向を一致させることができる。スピーカユニットＳＰの放音方向とバスレフポートの放音方向を一致させると、より１つの音源として定位し易くなる。

　さらに、外部開口部１７からは渦輪空気流がほとんど発生しないため、外部開口部１７の前面にグリルやパンチングメタル等の保護構造物を設けたとしても、この保護構造物に空気が衝突して雑音することはない。特に、開口率の低い（例えば５０％以下の）保護構造物を設けると、一般的にはポート全体の気流抵抗が大きくなるため、バスレフポートの効果が著しく低下するが、本実施形態のバスレフポートでは、外部開口部１７では空気流はほとんどない（疎密波による音波となっている）ため、開口部に保護構造物を設けてもポート全体の気流抵抗が大きくなることはなく、バスレフポート内部のヘルムホルツ共振を阻害することはない。

　図５（Ａ）は、外部開口部を開口率２２．５％のパンチングメタルで塞いだ場合のバスレフ共振周波数における音圧変化を示す図である。同図のグラフの横軸は入力電力（Ｗ）であり、縦軸は外部開口部に障害物がない場合のそれぞれのスピーカのバスレフ共振周波数における音圧を１００％として、開口部を２２．５％のパンチングメタルで塞いだ場合の音圧の変化をパーセンテージで示している。従来のような単純な円筒バスレフポートは、図中の四角プロットの様に、入力電力が大きくなるにつれて出力音圧の低下の度合いが増大し、バスレフポートの効果が得られ難くなっている。一方で、本実施形態のバスレフポート１０では、入力電力が大きくなっても出力音圧はほとんど変化せず、開口率の低いパンチングメタル等を配置してもバスレフポートの効果が低下することがない。

　なお、空気整流器１０１と空気整流器１０２とは同じ構造であるので、外部開口部１７から吸気する場合であっても、上述のように吸気時の流速も非常に低くなるとともに、内部開口部１８の排気流速も非常に低くなる。さらに、内部開口部１８は、スピーカユニットＳＰの反対側である底面板１５側に向いている。したがって、内部開口部１８から排気された空気がスピーカユニットＳＰに影響する（振動板が振動する等）ことはない。

　なお、上述の説明では、主管部の中空断面形状を円形としたが、図６（Ａ）の主管部１００Ａに示すように、正方形や長方形の多角形状にすることも可能である。なお、図６（Ｂ）に示すように、主管部や空気整流器の各角部はＲ面取りした形状にするとより効果的である。

　また、上述の説明では、バスレフポートの主管部の両端に空気整流器を設置する例を示したが、いずれか一方にのみ空気整流器を設置する構造であってもよい。

　また、上述の説明では、空気整流器の壁面間隔が変化する側の一対の壁面間の距離が指数関数に準じて変化する例を示したが、内壁面に角部が生じない形状であれば、長手方向に沿って壁面間隔が単調に増加（減少）する他の構造を用いても良い。

　また、上述の説明では、バスレフポートの長手方向に沿って、主管部の中空部の中心軸と空気整流器の中空部の中心軸とが一致する例を示したが、これらが平行で若干ずれている構造であってもよい。

　また、スピーカ装置の低音増強の仕様に応じて、バスレフポート内部の中空断面積および長さは適宜設定することができる。特に、上述の主管部を有していなくとも（空気整流器だけでも）、バスレフポートの長手方向の中央部の断面積を最も小さくし、中央部から外部開口部および内部開口部に向かって断面積を徐々に大きくし、かつ短手方向の距離を一定に保つ構造であってもヘルムホルツ共振を励起することができ、上述の第１の実施形態に示した作用と同じ作用を発生し、同様の効果を得ることができる。

　なお、上記実施形態では、空気整流器１０１と空気整流器１０２が同一の形状である場合を示したが、必ずしも全く同一の形状である必要はない。

　次に、本発明の実施例としてスピーカ装置をノート型パーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと言う。）や、デスクトップ型パーソナルコンピュータ（以下、デスクトップＰＣと言う。）、テレビ、マイクスピーカ一体型装置等に適用した場合について説明する。

〈〈実施例１〉〉
　図７は、第１の実施形態で示したスピーカ装置と同様の構造を有するものを備えた第１の実施例に係るノートＰＣの外観図である。ノートＰＣ３は、１６インチワイドディスプレイを備えたディスプレイ側筐体３１と、キーボードや各種デバイスが搭載されている本体筐体３２と、からなる。ディスプレイ側筐体３１と本体筐体３２はヒンジにより接続されている。

　２つのスピーカ装置２は、本体筐体３２に設置されており、キーボードの上方に配置されている。２つのスピーカ装置２は、それぞれのスピーカユニットが本体筐体３２の外側（右端および左端）に配置されており、できるだけ放音位置が離れ、ステレオスピーカとしての効果が得られるようになっている。また、２つのスピーカ装置２は、それぞれパンチングメタルで覆われている。パンチングメタルは、直径０．５ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの６０度千鳥格子配列の開口率２２．５％であり、一般的なノートＰＣで用いられるものである。

　第１の実施例のスピーカ装置２は、１６インチワイドディスプレイを備えたノートＰＣで一般的に用いられる定格出力１Ｗ、口径２０ｍｍ、最低共振周波数６００Ｈｚのフルレンジスピーカユニットを用いる。この場合、容積が１５ｃｃの場合にほぼ平坦な周波数特性が得られたものとして説明する。バスレフポートの共振周波数は、３００Ｈｚとする。３００Ｈｚから６００Ｈｚに至る周波数帯域では、バスレフポートおよびスピーカユニットから放出される音の比率は連続的に変化する。バスレフポートの構造は、第１の実施形態で示したものと同様である。

　この様な非常に小型のスピーカ装置では、バスレフポートの内径が極端に細くなり（例えば３～３．５ｍｍ程度となる。）、バスレフポート内の気流抵抗は増大する。したがって、従来の一般的なバスレフポートを用いた場合では、流速が著しく増大し、バスレフポートの効果が低下する。しかし、本実施例１のスピーカ装置の構造であれば、極めて内径が細い部分はポートのほんの一部であり、バスレフポート全体としての気流抵抗は低く抑えられるため、バスレフポートの効果が低下し難い特性を有する。

　図５（Ｂ）は、定格出力１Ｗ、口径２０ｍｍ、最低共振周波数６００Ｈｚのフルレンジスピーカユニットを用い、キャビネット容積が１５ｃｃである場合の入力電力に対するバスレフ共振周波数における再生音圧を示す図である。同図のグラフの横軸は入力電力（Ｗ）であり、縦軸は音圧（ｄＢＳＰＬ／ｍ）を示している。本実施例１のバスレフスピーカの１Ｗ入力時の音圧を通るように、入力電圧が２倍になると出力音圧が２倍になる３ｄＢ／ｏｃｔの傾斜を持った理論値の点線を引くと、本実施例１のバスレフスピーカのグラフとほとんど重なり、本実施例１のバスレフ動作は理想的な入出力直線性を有していることが分かる。

　一方で、従来のような単純な円筒バスレフポートは、図中の四角プロットの様に、入力電力が大きくなるにつれて音圧上昇が３ｄＢ／ｏｃｔの理論値よりも小さくなり、入力電圧が増えるほどバスレフポートの効果が得られ難くなって入出力直線性が劣化してしまうことが分かる。

　また、この様なノートＰＣに設けられたスピーカ装置では、聴取者は、スピーカ装置に非常に近い位置（例えば６００ｍｍ離れた位置）で音を聴取することになる。当然、バスレフポートにも定位感が生じ、従来の一般的なバスレフポートを用いた場合ではスピーカユニットとバスレフポートとを別の位置の音源として認識することになってしまう。

　しかし、この例では、スピーカユニットの中心位置とバスレフポートの外部開口部の中心位置との距離は１６．５ｍｍとし、スピーカユニットの直径以下となっている。この場合、６００ｍｍ離れた聴取者の位置において、スピーカユニットとバスレフポート１０の放出した音の到達時間差（位相差に相当する。）は、０．６６μｓｅｃ程度となる。したがって、人が定位感を得る最小閾値の６μｓｅｃ程度よりもはるかに短く、ほぼ一つの点音源として認識することができる。

　また、第１の実施形態と同様に、バスレフポートからは空気流がほとんど発生しないため、開口率２２．５％のパンチングメタルを設置したとしてもバスレフポートの効果に影響はない。さらに、上述の様なパンチングメタルでは、スピーカユニットが視認されることを防止することができ、デザイン上の優位性も高くなる。

〈〈実施例２〉〉
　図８は、本発明のスピーカ装置を備えた第２の実施例に係るデスクトップＰＣの外観図である。デスクトップＰＣ４は、２０インチワイドディスプレイや各種デバイスが搭載されている本体筐体４１からなる。

　２つのスピーカ装置１は、本体筐体に設置されており、ディスプレイの下方に配置されている。２つのスピーカ装置１は、それぞれのスピーカユニットが本体筐体の外側（右端および左端）に配置されており、できるだけ放音位置が離れ、ステレオスピーカとしての効果が得られるようになっている。また、２つのスピーカ装置１は、それぞれパンチングメタルで覆われている。パンチングメタルは、第１の実施例と同様に、直径０．５ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの６０度千鳥格子配列の開口率２２．５％であり、一般的なノートＰＣで用いられるものである。

　第２の実施例のスピーカ装置１は、第１の実施形態で示した定格出力２Ｗ、口径３０ｍｍ、最低共振周波数３００Ｈｚのフルレンジスピーカユニットを用い、容積が８０ｃｃの場合にほぼ平坦な周波数特性が得られたものとする。バスレフポートの共振周波数は、１５０Ｈｚとする。１５０Ｈｚから３００Ｈｚに至る周波数帯域では、バスレフポートおよびスピーカユニットから放出される音の比率は連続的に変化する。第１の実施形態でも述べたとおり、スピーカユニットの中心位置とバスレフポートの外部開口部の中心位置との距離は２３．５ｍｍとし、スピーカユニットの直径以下となっている。この場合、７５０ｍｍ離れた聴取者の位置において、スピーカユニットとバスレフポート１０の放出した音の到達時間差（位相差に相当する。）は、１．１５μｓｅｃ程度となる。したがって、人が定位感を得る最小閾値の６μｓｅｃ程度よりもはるかに短く、ほぼ一つの点音源として認識することができる。

〈〈実施例３〉〉
　図９は、本発明のスピーカ装置を備えた第３の実施例に係るテレビの外観図である。同図に示すテレビ５は、３２インチワイドディスプレイや各種デバイスが搭載されている本体筐体５１からなる。

　２つのスピーカ装置７は、本体筐体５１に設置されており、ディスプレイの下方に配置されている。２つのスピーカ装置７は、それぞれのスピーカユニットが本体筐体５１の外側（右端および左端）に配置されており、できるだけ放音位置が離れ、ステレオスピーカとしての効果が得られるようになっている。また、２つのスピーカ装置７は、それぞれパンチングメタルで覆われている。パンチングメタルは、第１の実施例や第２の実施例と同様に、直径０．５ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの６０度千鳥格子配列の開口率２２．５％であり、一般的なノートＰＣで用いられるものである。

　第３の実施例のスピーカ装置７は、定格出力１０Ｗ、口径５０ｍｍ、最低共振周波数２００Ｈｚのフルレンジスピーカユニットを用い、容積が４５０ｃｃの場合にほぼ平坦な周波数特性が得られたものとする。バスレフポートの共振周波数は、１００Ｈｚとする。１００Ｈｚから２００Ｈｚに至る周波数帯域では、バスレフポートおよびスピーカユニットから放出される音の比率は連続的に変化する。スピーカユニットの中心位置とバスレフポートの外部開口部の中心位置との距離は４７．０ｍｍとし、スピーカユニットの直径以下となっている。この場合、１２００ｍｍ離れた聴取者の位置において、スピーカユニットとバスレフポートの放出した音の到達時間差（位相差に相当する。）は、２．７μｓｅｃ程度となる。したがって、人が定位感を得る最小閾値の６μｓｅｃ程度よりもはるかに短く、ほぼ一つの点音源として認識することができる。

〈〈実施例４〉〉
　図１０は、本発明のスピーカ装置を備えた第４の実施例に係るマイクスピーカ８の外観図である。マイクスピーカは、パンチングメタルの内部にスピーカ装置２とマイク９が配置されており、ノートＰＣのディスプレイ側筐体の上部に載せて使用するＵＳＢ接続型のマイクスピーカである。

　第４の実施例に係るマイクスピーカ８において、２つのスピーカ装置２は、第１の実施例と同じものを用いる。第１の実施例とは、スピーカ装置２がディスプレイの下方に設けられているか、ディスプレイ側筐体の上部に載せられているか、の違いである。したがって、聴取者位置においてスピーカユニットとバスレフポートから放出される音の到達時間差は第１の実施例と略同じになり、スピーカユニットとバスレフポートは、ほぼ一つの点音源として認識することができる。

　ここで、第４の実施例に係るマイクスピーカ８は、図１１（Ａ）に示すように、機能的にエコーキャンセラ２７を内蔵している。エコーキャンセラ２７には、帰還音響系の伝達関数を模擬する適応型フィルタ２７１が用いられる。適応型フィルタ２７１は、スピーカ装置２からマイク９に至る帰還音響系の伝達関数を模擬し、スピーカ装置２に供給する音声信号をフィルタ処理することにより擬似エコー成分を生成する。そして、生成した擬似エコー成分をマイク９で取得した音声信号から除去する。適応型フィルタ２７１は、擬似エコー成分を除去した後の残差音声信号を入力し、この残差音声信号がゼロまたは小さくなるようにフィルタ係数を自動更新する（帰還音響系の伝達関数に一致するようにフィルタ係数を更新する）。仮に、スピーカユニットとバスレフポートが離れた位置に存在したり、スピーカユニットとバスレフポートの音の放射方向が異なったりすると、音源が移動したり、音源が１つから複数（あるいは複数から１つ）に変化したりするため、帰還音響系の伝達関数が頻繁に変化することになる。したがって、適応型フィルタが正確に伝達関数の推定ができなくなり、エコーキャンセル効果が低下する。しかし、第４の実施例に係るマイクスピーカは、ほぼ１つの点音源として定位することになるため、正確な伝達関数の推定を行うことができる。なお、適応型フィルタは、スピーカ装置毎に設けてもよいし、２つのスピーカ装置に共通のものを１つ設ける態様であってもよい。いずれにしても音源が移動することはないため、正確な伝達関数の推定を行うことができる。

〈〈応用例〉〉
　図１１（Ｂ）は、応用例に係る点音源シミュレーションシステムの構成を示すブロック図である。この点音源シミュレーションシステムは、第１～第４の実施例で示したいずれかのスピーカ装置（同図中においてはスピーカ装置２）と、スピーカ装置に音声信号を供給する信号処理装置６と、を備えている。

　信号処理装置６は、仮想点音源位置から聴取者に至る伝達関数（頭部伝達関数）を音声信号に付与し、バーチャルサラウンドを実現するものである。信号処理装置６は、ＡＶアンプ等の単体製品として実現される態様や、ソフトウェアとして上述のノートＰＣ等に搭載される態様も可能である。

　人は、左右の耳に到達する音声の音量差や時間差と共に、頭部と耳介による周波数スペクトルの形状変化によっても定位感を得ており、信号処理装置６は、モノーラル信号に対して、ある仮想点音源の位置から左右の耳に至る伝達関数（頭部伝達関数）を付与し、左耳位置において聴取される信号と右耳位置において聴取されるバイノーラル信号を作り出す。これを左右の耳にそれぞれ提示することで、仮想点音源の位置に音像が定位していると知覚させることができる。

　ここで、仮想点音源の位置に正確に音像を定位させるには、まず第１に左右のスピーカ装置から同時に同じ音圧で音が届く場所、すなわち、２つのスピーカ装置と等距離にある線上で聴取する必要がある。しかし、この場所においても、左右２つのスピーカ装置と左右の耳に至る音響伝達経路には、最少でも図１１（Ｂ）に示すように４つの直接経路が存在し、左のスピーカから発せられた音はまず左耳に到達するが、時間遅れを持って右耳にも到達する。同様に右のスピーカから発せられた音もまた両耳に届くため、両耳間のクロストークが発生し、正確な音像定位が得られ難いことになる。したがって、信号処理装置６は、バイノーラル化した信号にさらにクロストークを打ち消すためのクロストークキャンセル処理を行う。

　例えば、左側のスピーカ装置から放出され、右耳に至るクロストークの逆位相の成分を右側のスピーカ装置から放出し右耳の位置で音圧を打ち消すことにより、左側のスピーカ装置の音が右耳に聞こえるのを抑制する。逆に、右側のスピーカ装置から放出され、左耳に至るクロストークの逆位相の成分を左側のスピーカ装置から放出し左耳の位置で音圧を打ち消すことにより、右側のスピーカ装置の音が左耳に聞こえるのを抑制する。逆位相の音は、左右のスピーカ装置の位置を仮想点音源位置として、左右の耳に至る音の時間差と音量差をシミュレーションすることにより得られる。また、クロストークの一部は顔で回折することによってスペクトルが変化するため、より効果的なクロストークキャンセルを行なうためには頭部伝達関数を用いたシミュレーションが行なわれる。第１の実施例～第４の実施例で示したスピーカ装置の使用用途は、パーソナルユーズが主体であり、特にコンピュータにおいては使用者の耳の位置をほぼ特定する事が可能なため、精緻なシミュレーションによって効果的なサラウンド効果が期待できる。

　従来の一般的なバスレフポートのスピーカを用いた場合では、スピーカユニットとバスレフポートとを別の位置の音源として認識することになってしまうため、放出する音の帯域によって音源位置が変化してしまう。また、スピーカユニットとバスレフポートの音の放射方向が異なる場合、クロストークは直接経路以外にも反射を伴った間接経路でも生ずることになる。したがって、点音源を前提としたシミュレーションとの誤差が大きくなり打ち消し効果が低下してしまい、クロストークキャンセルの特性が劣化してしまう。

　しかし、上記第１の実施例～第４の実施例で示したスピーカ装置であれば、スピーカユニットとバスレフポートからの音は、ほぼ一つの点音源として認識することができ、かつスピーカユニットとバスレフポートの音の放出方向が揃っているためクロストーク経路は直接経路が主体となるため、シミュレーションとの誤差はほとんどなく、クロストークキャンセルの効果を最大限に発揮し、効果的なバーチャルサラウンドの効果を提供することができる。

Claims

　スピーカユニットとバスレフポートとが設置されたエンクロージャからなるスピーカ装置であって、
　前記バスレフポートは、エンクロージャの外部に開口する外部開口部とエンクロージャの内部に開口する内部開口部を有し、端部から中心部に向かう軸方向に沿って中空断面の面積が徐々に小さくなる管状体を有し、当該管状体は、該中空断面の一方向の長さが前記軸方向に沿って変化しない形状であり、
　前記バスレフポートの内部開口部は、該バスレフポートを挟んで前記スピーカユニットと反対側に位置するスピーカ装置。
　前記バスレフポートは、前記軸方向が前記スピーカユニットの音波放出方向と直交するように配置される請求項１に記載のスピーカ装置。
　前記バスレフポートの外部開口部は、前記スピーカユニットの音波放出方向と同一の方向に開口する請求項２に記載のスピーカ装置。
　前記スピーカユニットの中心位置と前記外部開口部の中心位置との距離は、前記スピーカユニットの直径以下である請求項１～３いずれか１項に記載のスピーカ装置。
　前記外部開口部の音波放出方向に、開口率５０％以下の保護構造物を設けた請求項１～４のいずれか１項に記載のスピーカ装置。
　前記スピーカユニット及び前記バスレフポートの外部開口部が、前記エンクロージャの長手方向中心位置より片側に位置する請求項１～５いずれか１項に記載のスピーカ装置。
　前記バスレフポートの外部開口部が、長方形を有し、当該長方形の長手方向は前記軸方向と直交する請求項１～６いずれか１項に記載のスピーカ装置。
　請求項１～７のいずれか１項に記載のスピーカ装置と、
　前記スピーカ装置に音声信号を供給する信号処理装置と、
　を備え、
　前記信号処理装置は、仮想音源位置から聴取者に至る伝達関数を前記音声信号に付与する音源シミュレーションシステム。
　請求項１～７のいずれか１項に記載のスピーカ装置と、
　音声信号を取得するマイクと、
　前記スピーカ装置から前記マイクに至る伝達関数を模擬し、前記スピーカ装置に供給する音声信号をフィルタ処理することにより擬似エコー成分を生成し、生成した擬似エコー成分を前記マイクで取得した音声信号から除去するエコーキャンセラと、
　を備えたエコーキャンセルシステム。