JP2001519637A

JP2001519637A - 改良された低周波数変換器囲み

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Publication number: JP2001519637A
Application number: JP2000515410A
Authority: JP
Inventors: ゲッデス、アール・アール
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2001-10-23
Also published as: EP1033061A1; WO1999018755A1

Abstract

(57)【要約】音響変換器囲み(10)が、すべての放射された音が音響てこ(80)を通るようにするために、音響的に電気音響変換器(70)に結合された音響てこ(80)を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景本願発明は音響変換器の囲みの手順及び方法の効率を改善するためのものに関
する。

【０００２】従来技術の説明音響ラウドスピーカーの再生のための変換器の囲みの設計は高度に発展した科
学である。それらの設計の過去の技術はほぼ１００年ほどさかのぼるもので、す
でにこの分野では最近多数の進歩があった。基本的な設計方法は、Novakの「低共鳴高コンプライアンスのラウドスピーカ用の囲みの性能（Performance of Enc
losure for Low Resonance High Compliance Loudspeakers）」、Thieleの「反射ボックス内のラウドスピーカ（Loudspeakers in Vented Boxes)」パートI及び
II、Smallの「反射ボックスラウドスピーカシステム（Vented-Box Loudspeakers
System）」パートI、II、III及びIV、並びにGeddesの「帯域ラウドスピーカ囲み概論（An introduction to Bandpass Loudspeakers Enclosures）」の古典的研究に十分に説明されている。これらの論文のすべてが、Audio Engineering So
ciety、ニューヨーク、ニューヨーク州から入手可能なラウドスピーカ選集のシリーズに見出すことができる。それらの研究に組み込まれた参考文献は、市販の
ラウドスピーカの囲みの設計における最近の最新技術のほとんどを網羅している
。

【０００３】最近の傾向は、少ないエネルギーで、つまり、改善された効率でより大きな出
力を出すという要望から、囲みのステムの帯域通過型に向かっている。単一の又
は多数の共鳴音響システムを同調させることによって、ラウドスピーカに与えら
れるローディングを、対応する効率の増加とともに増加させることができる。こ
れらの設計の経験則によると、周波数帯域通過装置の帯域幅が狭くなるほど音響
ゲインは高まり効率も大きく改善される。高い効率、低帯域幅又は低効率、高帯
域幅の制限は、時に、周波数帯域通過ラウドスピーカーシステムに関する有効な
帯域幅の結果は一定に維持されなければならない、というように述べられている
。これは数学的には厳密には正確ではないが現実的に述べるとそれは正確である
。

【０００４】ラウドスピーカーに与えられる音響負荷を増加させるが、その際には最終的な
システムの周波数帯域幅が対応して減少することがないようにすることができる
のでそれは非常に望ましい。

【０００５】放射効率を増加する他の新しい試みが、１９８１年の「ウーハラウドスピーカ
(Woofer Loudspeaker)」の特許第４，３０１，３３２号のDusanekの発明者等によって行われてきた。この特許では、ラウドスピーカーの後方が、外側の放射円
錐体が内側円錐体より大きくなるように、「内側及び外側受動スピーカー円錐体」
に取り付けられている。この特許の例を図１に示す。ラウドスピーカー円錐体の
振動の機械的増幅がその結果作られる。発明者は、それによる「小さい外箱から
のより低い周波数応答とより高い効率との結合」をクレーム化している。装置の
周波数応答は低くなるかもしれないが、その設計では周波数通過帯域の効率を高
めることはできない。これは、受動放射体のより大きな円錐体の動きが、箱共鳴
の辺りの周波数の非常に狭い範囲内でのみ音の放射を増加させることになるから
である。この共鳴未満では、前方及び後方の放射は、互いに相殺し合って（どの
ようなポート囲みにおいてもそうであるように）、そうでなければ機械的増幅に
よって生じたかもしれない放射効率におけるどのようなゲインも無にしてしまう
であろう。共鳴をこえると、受動放射体はラウドスピーカーから切り離されるこ
とになり、装置の周波数通過帯域効率は直接放射体のそれを維持しなければなら
ない。共鳴においては、効率の増加は明らかであり、この改良された効率はそう
でない場合の例よりも低く箱をチューニングすることのみによって利用すること
ができる。Dusanekは真に効率的にするためには放射音の全てを2つの円錐体の機
械的増幅器を通過させなければならないことを認識しなかった。この設計はまっ
たく商品化されていない。

【０００６】機械的利点の他の形態も試されてきた。Niewendijk他（１９８５年）は、特許
第４，５４７，６３１号に、旧式のボイスコイルとふいごとの間でてこ（レバー
）として作動する機械的なアームを利用することを開示した。その理想は、ボイ
スコイル又は他の駆動モーターの非常に小さい動きから放射面の大きな容積変位
を作り出す点にある。この設計の欠点は設計及び製造が非常に複雑であり信頼性
に大きな疑問があることである。この設計も商品化されることはなかった。

【０００７】 Dusanekのそれと同様な（同一の？）設計は、Clarkeによって、特許第４，０７６，０９７「増音された受動放射ラウドスピーカシステム(Augmented Passive
-Radiator Loudspeaker System)」(1979)に開示された。この発明でも、２つの円錐体ユニットが自由に放射する駆動部の後部に取り付けられているが、音エネ
ルギーは2つの受動放射体の円錐体の間の結合部に向けられる。この特許の例を図２に示す。その発明者は、この新しい設計が、第２の箱を追加することによっ
て受動放射体の正味のコンプライアンスを制御できるようになるため、標準的受
動放射体の設計を越える改良された応答性を提供する点をクレーム化する。この
「改良」は、音響出力がごくわずかである共鳴未満では受動放射体のコンプライ
アンスのどのような効果でも起こるであろうからほとんど重要ではない。実際、
受動放射体のコンプライアンスはあまり重要ではなくそれを制御することにほと
んど重要性はない。この設計は商品化されることはなかった。

【０００８】周波数帯域通過装置の純粋な音響の達成という方向性においては、ダクト及び
囲みの多数の形状に関していくつかの特許があり、全て改良された効率を目指し
ている。これらの音響達成方法のそれぞれは上記した効率と周波数帯域幅とのト
レードオフという問題を抱えている。いくつかは出力及び構造という観点からは
非常に有効であるが、周波数帯域幅を狭めることなくしかも組み立てやすい方法
でのそれらの設計を改善することが依然として望まれるであろう。

【０００９】発明の概要本発明は「音響てこ」の新規な利用を提供する。音響てこは2つの堅固な面から構成された機械的装置であり、それらの２つの面は1本の線に沿って振動することができるように互いに堅固に接合されて柔軟に保持されている。それらの2 つの面は、振動の軸線に垂直な平面上に被駆動面又は放射面と称される領域を持
つ突出部を有する。音響てこは外側に保持用弾力部分が取り付けられた2つの標準的なラウドスピーカー円錐体から構成することができる。頂点対頂点で置かれ
た２つの円錐体は互いに接着されて保持弾力部分の外側端部を接着することによ
って囲み内に取り付けられる。この様にすると2つの円錐体はそれらの共通の軸線に沿って自由に振動することになる。この装置はこの文書の目的のために音響
てこと呼ぶ。この定義によると、Dusanek及びClarkeは彼らの発明において音響てこを用いたことになるが、ここで述べるものとは全く異なる構造である。

【００１０】音響てこが、全ての放射された音を音響てこに通す方法、つまり、音響的に連
続して通す方法によって、電気音響変換器と音響的に接合されると、そのときに
は、その結果としてできた装置は、装置の作動周波数帯域通過を通じて、変換器
の放射される体積速度を何倍にも高めることができるようになる。その結果、て
こを用いることのない同一の変換器と比べると、変換器囲みの組合せの効率は著
しく高まる。

【００１１】新規な変換器囲みは、2つの音響てこを用いて、各々を電気音響変換器の各側面に配置するようにして組み立てることもでき、その電気音響変換器はこの設計
の放射される音出力を更に高めることになる。設計に更なる柔軟性を持たせるた
めにてこの1つを標準的ダクト又は受動放射体装置と置き換えることもできる。

【００１２】音響てこ囲み設計は変換器から放射されるひずみも低下させることになる。

【００１３】望ましい実施例の説明本願発明の囲みの望ましい実施例を図３及び４に示す。外側の囲み１０は、電
気音響変換器仕切５０及び内部てこ変換器仕切６０によって、少なくとも三つの
内部チャンバ、つまり、音響てこチャンバ２０、音響てこ−電気音響変換器結合
チャンバ３０及び堅固な密閉された電気音響変換器後方チャンバ４０に分割され
ている。外箱及び内部仕切は標準的構造のものである。標準的構造の電気音響変
換器７０は仕切５０にしっかりと取り付けられているので、チャンバ４０とチャ
ンバ７０との間には無視できる程度の空気の流れが存在するだけである。

【００１４】音響てこ８０は、その柔軟な枠８２に沿ってその放射面８ｌを持つように取り
付けられており、それらは囲み１０の外側の一方の壁に隙間なく取り付けられ、
さらに、その柔軟な枠８６に沿ってその被駆動面８５が仕切６０に隙間なく取り
付けられている。２つの柔軟な枠８２及び８６は同時に作用し単一の音響てこの
コンプライアンスとなる。

【００１５】図４を参照すると、変換器７０はそのモータをワイヤ９５を通じて増幅器（図
示せず）に接続することによって付勢される。この方法で変換器からの音響エネ
ルギーはチャンバ３０へと導入される。この音響エネルギーから生じた音圧はそ
の変換器に面したてこの被駆動面８５に作用する。てこ８０はこの作用によって
、音響てこの被駆動面に対する変換器の放射面の比率に変換器の円錐体の変位量
を掛けたものとほぼ等しい数値だけ変位することになる。つまり、Ｘｄが面Ａｄ
を持つ変換器の変位量で、また、Ｘ１が面Ａ１を持つ音響てこの被駆動面の変位
量である場合には、Ｘ１＝(Ａｄ／Ａ１）Ｘｄとなる。

【００１６】音響てこは一体として動くので、音響てこの放射面の変位量もＸ１となる。放
射面Ａ２は外側の流体媒体に面している。音響てこの放射面によって変位された
空気の体積（変位量かける面積）Ｖ２は、Ｖ２＝Ａ２・Ｘ１＝Ａ２（Ａｄ／Ａ１）Ｘｄ＝（Ａ２／Ａ１）Ａｄ・Ｘｄ＝（Ａ
２／Ａ１）Ｖｄとなる。ここで、Ｖｄは変換器によって変位する空気の体積である。放射面が被
駆動面より広い場合には、音響てこによって放射される空気の体積速度は、変換
器のそれよりも、音響てこの被駆動面に対するその放射面の比率まで増すことに
なる。この放射体積速度の変換は電気用語における変圧器又は機械用語における
てこの機能と大変似ている。それゆえ音響てこという名称なのである。

【００１７】上記の関係の例として、二つの円錐体からなる音響てこを考え、被駆動側が２
００平方センチメートルと仮定した面からなり、放射側が４００平方センチメー
トルと仮定した面からなるとする。上記の式から、放射された空気体積の変位量
は電気音響変換器の円錐体の空気体積の変位量の2倍となることがわかる。このことは、放射された空気の体積速度も電気音響変換器から放射された空気の体積
速度の2倍であり、また、この音の放射によって生じた音圧レベル（ＳＰＬ）は音響てこの存在の結果として約６ｄＢまで増えるということを意味する。

【００１８】上で導かれた関係は全ての周波数に当てはまるものではない。チャンバ３０の
容積及びてこ８０の音響質量によって画定される共鳴周波数より高い周波数にお
いては、増幅効果は消失し、放射された音は減少するであろう。このロールオフ
は、所望の場合には、てこ８０の放射面と被駆動面との間の接続部を堅固なもの
でなく柔軟なものにすることによってより急なものにすることができる。チャン
バ３０の容積及び又はてこ８０の音響質量は、その関係及び望ましい高い作動周
波数から決定することができる。

【００１９】チャンバ２０は音響てこのコンプライアンスを減少させるよう作用する。チャ
ンバ２０の音響コンプライアンスは音響てこコンプライアンスに（並行に）加わ
ってこの構成部分のために単一の塊となったコンプライアンスを形成する。ほと
んどの設計において、このコンプライアンスは、十分に高くて、音響てこの一塊
のコンプライアンス及びその物理的質量によって生じた共鳴が所望の装置の作動
周波数帯域幅を充分に下回る、というように仮定されている。これは、チャンバ
２０の容積を増大させることによって、また、音響てこ８０の音響質量を増大す
ることによって、及び又は音響てこコンプライアンスを高めることによって常に
そのようにすることができる。実際、一塊のコンプライアンスが、変換器７０お
よびチャンバ４０の結合したコンプライアンスと比べて小さくない場合には、そ
の一塊の音響てこは装置の性能にはほとんど影響を与えないであろう。一塊の音
響てこのコンプライアンスが充分な大きさのコンプライアンスではない場合には
、その結果、装置が非同調状態となり、主として低い周波数において、その全体
の効率が低下することになる。この非同調はその装置の他の構成部分の調整を変
えることによってある程度補うことができる。

【００２０】物理的にチャンバ２０によって加えられた見かけ上の音響コンプライアンスは
、この空気の体積の標準的な音響コンプライアンスとなるが、面８１及び８５の
推定面積の差として音響てこによる作用を受ける。これは、音響てこの2つの面がそれらの間の体積に関して反対方向に移動するからである。

【００２１】音響的に放射された体積速度における正味ゲインに関する上記の式は、音響て
こ面の比率、つまり、音響てこの方斜面に対するその被駆動面の比率を増やすこ
とによって、ゲインを無限に増加することができることを予測する。一塊の音響
てこコンプライアンスに関する上記の説明は、増幅に実際上の上限があることを
示す。チャンバ２０の見かけ上の音響コンプライアンス及び音響てこのコンプラ
イアンスは、音響てこ面の比率を増すことによって音響ゲインを高めることを試
みると、両方とも減少するであろう。一塊の音響てこのコンプライアンスは、最
終的にはとても小さくなって、音響てこ面の比率を高めることによりゲインが増
すよりも速い速度で有効ゲインを制限することになる。

【００２２】好結果が、放射面が変換器の放射面よりいくらか広くかつ被駆動面が変換器の
被駆動面よりもいくらか狭い音響てこに関して得られている。変換器の放射面の
約１．４倍の放射面及び変換器の被駆動面の約０．７倍の被駆動面が、２の体積
速度の増加及び６ｄＢの放射される圧力における理論上の改善を生み出す。これ
らの構造パラメータの結果、電気音響変換器のそれとあまり異ならない面を持つ
音響てことなり、容易な構成を促進するとともに見事な６ｄＢの増加した出力を
生み出す。

【００２３】次ぎに図５を詳細に参照すると、そこに示すチャートは本発明から予測される
放射された圧力における理論上の改善を示す。この図は、約０．７のＱにともな
う第４次変化の標準的周波数帯域通過のチューニング（発明者の論文「帯域通過
ラウドスピーカー装置の概論」に述べられている様なもの）（下側の曲線)と、音響てこを用いた囲み装置（上側の曲線）とを比較する。この図における変換器
及び囲み容積は一定に維持されている。図５に示す音響てこの特別な設計は、チ
ャンバ４０内に変換器７０が置かれたときにその変換器７０の共鳴周波数で共鳴
するようにてこ８０の音響質量及びチャンバ３０の容積が調整される周波数帯域
通過モードにおいて作動する。てこの音響質量は変換器の音響質量の１．４１４
倍になるようにする。この調整は、ここではひとかたまりの音響てこが無視され
ていたことを除けば上記の本発明者の論文で説明したことと同一である。これは
上記のようにこのコンプライアンが小さすぎない限りにおいて有効である。音響
てこの音響質量はその放射面積によって割られたその移動質量である。

【００２４】概して、本発明者の論文「周波数帯域通過」に述べられている全ての設計はここ
に適応できるものであり、その論文に述べられている「ポート」と対立する音響て
この使用を通じて出力における実質的な改善を得ることができる。これは音響て
この一塊のコンプライアンスが上記に述べる様に小さすぎない限りにおいて真実
である。

【００２５】次ぎに図6を詳細に参照すると、そこに示す透視図は本発明の他の形態を強調する。2つの音響てこ装置の囲み１００は、内部の音響てこ仕切１４０及び電気音響変換器仕切５０によって、前方音響てこ−電気音響変換器結合チャンバ１１
０、後方音響てこ−電気音響変換器結合チャンバｌ２０及び音響てこチャンバｌ
３０に分割されている。前方音響てこ１５０はチャンバ１１０を通じて変換器７
０の前方部分に結合されている。後方音響てこｌ６０はチャンバ１２０を通じて
変換器７０の後方部分に結合されている。てこ１５０と１６０との間の干渉を防
ぐ為にチャンバ１３０内に音響てこ分離仕切１４５が必要とされるかもしれない
。その仕切はこの透視図に示していないが、図７の断面図に示す。この方法によ
り変換器７０の両方の放射側を利用して放射出力をさらに増大させることができ
る。

【００２６】チャンバ１１０及び１２０の正確な容積とてこ１６０及び１５０の正確な音響
質量とを決定することは、本発明者の論文「周波数帯域通過囲み設計の概論」に
述べられている６次非対称周波数帯域通過囲みの設計に似た線に沿って行われる
。これも上で述べた様に音響てこの一塊のコンプライアンスが小さすぎない限り
において真実である。

【００２７】いくつかの例では位相干渉影響のため２つの音響てこを用いるのは望ましくな
い。この問題は、音響ダクト１７０、特に、標準的構造の中空管で、低周波数箱
共鳴チューニングの際の音響質量の様に、ときには「ポートのある」ラウドスピ
ーカー囲みにおいて用いられるものを使用することによって回避できる。これが
なされると、２つの音響てこを用いたときに位相干渉から生じるであろう低周波
数出力を低下させることなく、改善された周波数通過帯域効果を得ることができ
る。この構造を図８に示す。

【００２８】ここに開示したどの設計においても効果的な音響てこを３個以上の音響てこか
ら構成することもできる。この場合個々のてこの音響質量の合計は、この設計で
用いられる１つの有効音響質量となる。これらの多数のてこは装置のために他の
構造及び指針となる応答を促進し、さらに他の設計に自由度を反映する。

【００２９】本発明においては、変換器と音響てことの間で作用する流体媒体は、空気、ガ
ス又は液体を含むいかなる流体物質でもよいことに注意すべきである。いくつか
の例においては、結合媒体として液体を用いることはその圧縮できない性質のた
め利点がある。これにより、空気の様な圧縮可能な媒体を用いた場合に得られる
周波数帯域幅に比べてはるかに広い装置の周波数帯域幅が可能となる。この特徴
は例えば場所の都合上２以上の変換器を用いることができない装置において有益
である。この種の装置の例としては補聴器変換器及びイヤーホン変換器がある。

【００３０】本発明の更なる特徴は装置の音響の歪みを低減することにある。非対称の非線
形性によって振動板が静的変位を示しそれによって円錐体をより高い非線形性の
領域に移動させるということは、変換器において良く知られた非線形歪みの効果
である。この静止状態の力は周波数０のときに変換器に見られる装置のスティフ
ネスによって対抗される。ポートの様に音響質量として空気を用いた変換器装置
では周波数０における装置のスティフネスは単に変換器振動板の支持のスティフ
ネスである。音響てこが使われたときは、静的力に対抗する周波数０スティフネ
スは音響てこのスティフネスの為に充分に高くなる。従って振動板は静止状態の
力からあまり変位しなくなり、装置の正味の歪みは減少することになる。

【００３１】上記への他の新規な独自性のある修正は当業者にとっては明白である。

【００３２】本発明は特許請求の範囲に記載した通りである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はDubenekの従来技術の望ましい実施例の図である。

【図２】図２はClarkeの従来技術の望ましい実施例の図である。

【図３】図３は1つの音響てこを用いた新規な囲みの透視図である。

【図４】図４は図３の４−４の方向から見た変換器囲みの断面図である。

【図５】図５は標準的周波数帯域通過囲み設計と音響てこを組み入れた新規な設計との
周波数応答の比較である。

【図６】図６は2つの音響てこを組み込んだ新規な囲み設計の透視図である。

【図７】図7は図６の７−７から見た変換器囲みの断面図である。

【図８】図８はダクトによって実行する前方チャンバ（低周波数同調）音響質量を備え
る変換器囲みの断面図である。

【符号の説明】

１０装置囲み２０音響てこチャンバ２５音響てこ−電気音響変換器結合チャンバ４０電気音響変換器後方チャンバ体積５０電気音響変換器仕切６０内部音響てこ仕切７０電気音響変換器８０音響てこ８１音響てこ放射面８２音響てこ放射面柔軟支え８５音響てこ被駆動面８６音響てこ被駆動面柔軟支え９５電気音響変換器付勢ワイヤ１００２つの音響てこ囲み１１０前方音響てこ−電気音響変換器結合チャンバ１２０後方音響てこ−電気音響変換器結合チャンバ１３０音響てこチャンバ１４０内部音響てこ仕切１５０前方音響てこ１６０後方音響てこ１７０音響ダクト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響変換器を収容する囲みであって、内部を少なくとも３つのチャンバに仕切る少なくとも２つの内部バッフルを備
えた外側の堅固な枠組みと、前記内部バッフルの１つに取り付けられた能動的音響変換器と、前記内部バッフルの少なくとも１つと該囲みの前記外側との間に結合された受
動的音響てことを備える囲み。
【請求項２】請求項１の囲みにおいて、該囲みは内部の囲み空間を３つの内部チャンバに仕切る２つの内部バッフルを
含み、前記音響変換器は前記内部バッフルの１つに取り付けられており、さらに、前記受動的音響てこは、前記内部バッフルと該囲みの前記外側との間に結合さ
れている囲み。
【請求項３】請求項２の囲みにおいて、前記音響てこは、該音響てこの一方の面のみが前記音響変換器に共通のチャン
バを割り当てるように取り付けられる囲み。
【請求項４】請求項２の囲みにおいて、前記音響てこは、該音響てこの両方の面が前記音響変換器に共通のチャンバを
割り当てるように取り付けられる囲み。
【請求項５】音響変換器を収容する囲みであって、内部を少なくとも３つの内部チャンバに仕切る少なくとも２つの内部バッフル
を含む外側の堅固な枠組みと、前記内部バッフルの１つに取り付けられた音響変換器と、前記内部バッフルと該囲みの前記外側との間に取り付けられた少なくとも２つ
の受動的音響てこと手段を備える囲み。
【請求項６】請求項５の囲みにおいて、前記受動的音響てこは、該てこの表面の一方のみが前記音響変換器を含む前記
内部チャンバと共通する囲み。
【請求項７】請求項６の囲みにおいて、さらに、前記音響てこを含む前記チャンバの間に内部バッフルを備える囲み。
【請求項８】請求項５の囲みにおいて、前記受動的音響てこは、該てこの表面の両方が前記音響変換器を含む前記内部
チャンバと共通する囲み。
【請求項９】請求項１の囲みにおいて、さらに、前記内部チャンバの間の前記仕切に取り付けられた受動的振動板又は音響ダク
トを含むポートを備える囲み。
【請求項１０】請求項１の囲みにおいて、さらに、前記内部チャンバと前記囲みの外側との間に取り付けられた受動的振動板又は
音響ダクトを含むポートを備える囲み。
【請求項１１】請求項１０の囲みにおいて、さらに、前記内部チャンバの間の前記仕切に取り付けられた受動的振動板又は音響ダク
トを含むポートを備える囲み。