(57)【要約】      （修正有）【課題】スピーカーユニットを振動させることによる超低音再生帯域と、スピーカーユニットのコーンの振動による低音再生帯域の、双方の中間帯域の良好な再生を実現する。【解決手段】小形全帯域スピーカーシステムは、キャビネットの内部に、スピーカーユニットの振動による超低音再生帯域とスピーカーユニットのコーンの振動による低音再生帯域の中間の周波数帯の、低音共振体をもうける。スピーカーユニットのコーンの振動による低音再生帯域を共振体の共振周波数の方向に引き寄せることで、スピーカーユニットの振動による低音再生帯域とスピーカーユニットのコーンの振動による低音再生帯域の中間の周波数帯の再生性能を高め、間隔を縮め、低音再生帯域でボイスコイルの接損失を増加させることなくボイスコイルの駆動電力を増加させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を音響信号に変換するユニットをスピーカーユニットとし、
スピーカーユニットとキャビネットを一体化させたものをスピーカーシステムとし、
スピーカーユニットのボイスコイルの振動方向を振動軸とし、
スピーカーユニットが振動方向に可動範囲を持つスピーカーを振動型スピーカーとし、
共振体とはスピーカーユニットのボイスコイル振動に起因して、キャビネット内の空気を介してのエネルギーの授受によって共振するところの、空気振動の共振体と機械振動の共振体のいずれかまたは双方とし、
；
スピーカーシステムの電気的インピーダンス特性をインピーダンスまたはインピーダンス特性とし、
主としてスピーカーユニットとキャビネットが持つ音響的性質に依存して決まる  fo  と呼ばれる共振特性を第１共振とし、
第１共振の共振周波数を  fo  とし、
；
スピーカーユニットの質量と、
スピーカーユニットを支える弾性体のスティフネスと、
スピーカーユニットの背面の空気室の容積と  を主なファクターとするところの機械振動の共振特性を第２共振とし、
第２共振の共振周波数を  fm  とし、
；
スピーカーキャビネットの壁面に儲けたパッシブラジエータをアウターPRとし、
アウターPRはキャビネットの外側に音響放射面を持つものとし、
アウターPRの共振周波数を  fpr  とし、
；
第１共振による  fo  と、小型スピーカーシステムの低音再生にとって有効な手段であるところの第２共振による  fm  と
を持つ振動型スピーカーシステムにおいて、
全帯域再生を課せられた振動型スピーカーシステムでは、
一般的に、高域再生特性の犠牲なくして  fo  を低くすることが容易ではなく、
一般的に、総合的な再生特性を犠牲にするほどにスピーカーユニットの質量を小さくすることなく  fm  を  fo  に近づけることが容易ではなく、
これらの条件によるところの  fo  と  fm  の間に発生するインピーダンス特性の谷間を  インピーダンス谷間とし、その帯域を  Bom  とし、
；
Bom  の範囲内に  共振周波数  fpr  が存在するところのアウターPRを儲けることは、
インピーダンス谷間  Bom  をある程度埋めることができる公知の手法の一つであるが、聴覚では低音感を得られるものの、fpr  と  fo  の間の谷間の特性は埋まらず、
fpr  から  fm  へ向けての低音の領域では、アウターPRの振動とコーンの振動の位相が、再生音圧に照らして逆相となることによって、双方の再生音圧基本周波数が相殺され、高調波歪み率と混変調歪み率が大きくなる性質を低音相殺作用とし、
；
良好な低音特性の再生に必要な、Bom  の幅を狭める設計と、
インピーダンス谷間  Bom  を高いインピーダンス特性で埋めることで得られるところの、総合的な再生特性の改善方法に関する課題の解決を本案の本質とし、
；
アウターPRのキャビネットの外側への音響放射の窓口をPR放射窓とし、
PR放射窓を密閉箱で塞ぐことによって作られるところの、密閉箱とキャビネット内部の空間に面する窓を持つPR放射窓によって形成されるところの固有の共振特性を持つ共振体を  インナーPRとし、
インナーPRが持つ共振特性を第３共振とし、
インナーPRの振動板をインナーPR振動板とし、
インナーPRを有することを第１とし、
；
インナーPRによる共振特性によるところの共振周波数を  fipr  とし、
fipr  は  Bom  の範囲内にあるべく、
インナーPRを構成する密閉箱の容積と、
インナーPR振動板の放射面積と質量と、
を選択設計するものとし、
；
fipr  と  fo  の間の帯域を  Bio  とし、
fipr  と  fm  の間の帯域を  Bim  とし、
；
第１の結果によるところの、
帯域  Bim  において、インナーPR振動板がキャビネットの外側に音響放射をしないことから、アウターPRの場合に発生する低音相殺作用を無くす作用を利用することを第２とし、
第３共振  fipr  の付近での、インナーPR振動板の振動とコーンの振動との位相が同相または同相に近い性質が、fipr  付近のインピーダンス特性をなだらかな山形状とする作用を利用することを第３とし、
なだらかな山形状とする、とは、急峻な山形状の頂点を低くし裾野を広げた形状または裾野が重なる二つの山からなる形の特性とし、
；
第１の結果によるところの、
二つの共振特性が相互干渉の状態にある系では双方の共振特性が影響し合う現象によるところの、fo  と  fipr  が互いに引き寄せ合う性質により  fo  の急峻な山形状のインピーダンス特性をなだらかな山形状に変える作用を利用することを第４とし、
；
第１の結果によるところの、
二つの共振特性が相互干渉の状態にある系では双方の共振特性が影響し合う現象によるところの、fo  と  fipr  が互いに引き寄せ合う性質により、起伏の大きいインピーダンス特性を持つ帯域  Bio  のインピーダンス谷間を埋める作用を利用することを第５とし、
；
帯域  Bio  のインピーダンスの絶対値の  相加平均値または自乗平均値または何らかの基準に基づく代表値  を  帯域  Bio  のインピーダンスの代表値とし、
第１の結果に起因して、
第２と第３と第４と第５との結果によるところの、
帯域  Bim  のインピーダンスの代表値の、ボイスコイルの直流抵抗に対する倍率を  K  とし、
帯域  Bio  において、
インピーダンスがボイスコイルの直流抵抗と同じと見なした場合のボイスコイルの熱損失を基準として、ボイスコイルの熱損失が等しい条件下において、
ボイスコイルの直流抵抗を  1倍  とし、
ボイスコイル電圧を  K倍  大きくし、
ボイスコイル電流を  1倍  とすることで、ボイスコイルの熱損失を変えることなく
帯域  Bio  の、ボイスコイルの駆動電力を  K倍  とすることができる、
かまたは、
ボイスコイルの直流抵抗を  (1/K^2)倍  とし、
インピーダンスを  (1/K^2)*K＝1/K倍  とし、
ボイスコイルの電圧を  1倍  とし、ボイスコイルの電流が  K倍  となることで、
ボイスコイルの熱損失を変えることなく
帯域  Bio  の、ボイスコイルの駆動電力を  K倍  とすることができる、
のいずれをも選択可能であって、
さらに、帯域  Bio  において、
ボイスコイルの熱損失を一定として、駆動電力を  K倍  とする条件において、
ボイスコイルの直流抵抗とボイスコイルの駆動電力の値を設計的に選択決定できることを第６とし、
；
スピーカーユニットのボイスコイルの振動軸方向にスピーカーユニットの振動を可能とする振動型スピーカーシステムと、
振動型スピーカーシステムのキャビネット外への音響放射面を持たず、キャビネット内に音響放射面を持つ共振体と、
いずれも公知の手段を組み合わせた構造を持つことを特徴とするところの、
第１と、
第１の結果によるところの第２と第３と第４と第５と、
第２から第５までの結果によるところの第６と、
によって、
振動スピーカーの機械振動によるところの、fipr  より低い超低音帯域を遮断することなく再生範囲として利用が可能となるところの、かつ、
fo  付近より低い低音帯域の歪み率を小さくし音量を大幅に改善できるところの、かつ、
低音帯域において、ボイスコイルの熱損失を大きくすることなく、ボイスコイルの駆動電力を大きくすることができるところの、スピーカーシステム。
【請求項２】
fo  と  fm  の中間に共振周波数を持つところの振動板と振動板の背面に密閉空間を有する共振体を、キャビネット内共振体とし、
スピーカーユニットのボイスコイルの振動軸方向にスピーカーユニットの振動を可能とする振動型スピーカーシステムと、
スピーカーシステムのキャビネットの空気室の中に、請求項１に記述のインナーPRの代わりに、キャビネット内共振体を有するところの、
第１と、
第１の結果によるところの第２と第３と第４と第５と、
第２から第５までの結果によるところの第６と、
によって、
振動スピーカーの機械振動によるところの、fipr  より低い超低音帯域を遮断することなく再生範囲として利用が可能となるところの、かつ、
fo  付近より低い低音帯域の歪み率を小さくし音量を大幅に改善できるところの、かつ、
低音帯域において、ボイスコイルの熱損失を大きくすることなく、ボイスコイルの駆動電力を大きくすることができるところの、スピーカーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パッシブラジエータの効果を利用する小形軽量スピーカーの低音再生方法。
スピーカーユニットとキャビネットを弾性体で結合し、スピーカーユニットを振動させることで、その振動エネルギーを取り付け先の構造体に伝達し、取り付け先の構造体の広い放射面積を利用し、より強い低音再生を得る方法
パッシブラジエータとコーンの振動位相関係
【背景技術】
【０００２】
機械振動解析と設計
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
実願  ２０１５−３２９８
振動型スピーカーとその低音再生特性を補正する方法に関する。
振動型スピーカーは小形軽量のスピーカーユニットで低音再生範囲を広げるために強力な方法の一つであるが、強い共振特性を利用した低音再生効率の改善方法であることから広い再生帯域を得ることが難しい。信号処理によってこの弱点を補正する必要があるが、弱点に対し補正が過ぎると異常音を再生することになり、リニアリティの限界を超えないよう精密な補正を必要とする。
特願  ２０１５−２２１０８９
請求項に記述の振動型スピーカーの構造に関する。
特願2010-251188  スピーカー装置
特願2011-514324  スピーカー装置
特開2010-097146  吸音構造群及び音響室
特開2010-097145  吸音構造群及び音響室
特開2010-031582  吸音構造群及び音響室
特開2007-336337  スピーカーシステムおよびスピーカーエンクロージャ
以上に記述されるスピーカーシステムの設計方法は低音再生性能の改善に関する。
【発明の概要】
【０００４】
請求項で定義した用語と記号は明細書においても同様とする。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
課題１。
振動型スピーカーの機械振動の共振周波数  fm  と、主にスピーカーユニットとキャビネットから決まる共振周波数  f0  との間のインピーダンス特性の谷間  Bom  が広いことにより期待する低音再生特性を得ることが難しい。
このことは、図１の供試品の特性図が示す。
図１のグラフはインピーダンスの特性図である。Double Edge  は振動型スピーカーを意味するものとする。55Hz  付近の小山は第２共振によるもので、260Hz  付近の大きな山が  第１共振によるものである。
図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。Double Edge  の
55Hz  付近の小さい山と  75Hz  付近の小さい谷が第２共振によるものである。
【０００６】
課題２。
パッシブラジエーターを利用して  共振周波数  fpr  を  Bom  の中間に埋める方法があるが、パッシブラジエーターの特性として、fpr  より低い帯域では  コーンとパッシブラジエーターの振動が  音圧を基準にして  逆相または逆相に近い関係にあり、再生信号の基本波が相殺されることで、高調波歪みと混変調歪みが残る、という性質がある。
従って、パッシブラジエーターを使ったスピーカーシステムでは信号処理の段階で、この帯域の再生を抑制する低域遮断を儲けるのが一般的である。
図５に供試品の歪みの特性図を示す。
Doubl Edge + OuterPR  は振動型スピーカーシステムにアウターPRを組み合わせた場合の特性であり、Doubl Edge + InnerPR  は振動型スピーカーシステムに本案のインナーPRを組み合わせた場合の特性である。
図５（ａ）のグラフは供試品のスピーカーシステムの、
入力電圧が公称定格の  50%  における  Doubl Edge + OuterPR側が  73.5Hz  と
Double Edge + InnerPR側が  78.0Hz  の再生音のスペクトル特性図である。双方の周波数が半オクターブ異なるのは双方の特性の違いを見やすくするためである。
73.5Hz  はコントラバスの最も低い開放弦の振動周波数である。73.5Hz*2=157Hz  から始まって高い周波数帯に現れる山は高調波歪み成分である。
図５（ｂ）はグラフから拾った数値の表である。それぞれの数値は基本波を  0dB  とした場合の  第2次  から  第7次  までの高調波の比率の  dB  換算値である。
Doubl Edge + OuterPR  の場合、第３高調波と第４高調波の歪みを合成すると基本波に対し  53%  の歪み率となる。
この歪みの主な原因は基本波に歪みがあって、アウターPRの放射音とコーンの放射音の位相が逆となっていることから、基本波が相殺されることによる。
【０００７】
課題３．
パッシブラジエーターで  インピーダンス谷間  Bom  を埋める場合、課題２の理由によって、
fpr  より低い周波数域が再生帯として使えないことから、fpr  を  f0  に近づけると、
再生に適さない領域が広くなって、もともと  良好で広い低音再生帯域を得たい  という目的に反することとなる。
【０００８】
課題４．
fpr  と  fo  の間隔が広い場合、この周波数帯には  インピーダンスの深い谷間ができて、均一な低音再生特性を得ることが難しくなる。同時に、この帯域でのボイスコイルの駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が大きくなり、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が低下する原因となる。
このことは、図１の供試品の  Doble Edge + OuterPR  特性図が示す。
図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。
Double Edge + Outer-PR  の  160Hz  付近の深い谷が第１共振とアウターPRの位相関係によるものである。
fpr  と  fo  の間は、105Hz付近と260Hz付近にある二つの急峻で高い山と、160Hz付近にある一つの深い谷の特性となる。この谷間では、駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が高い。
Double Edge  の  55Hz  付近の谷は第２共振によるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
手段１。
パッシブラジエーターのキャビネットの外への放射面を密閉箱で覆う。
これをインナーPRとする。
【００１０】
手段２。
インナーPRの共振周波数  fipr  を  Bom  の中間の  fo  におけるインピーダンス特性の急峻な山形状が崩れてなだらかになるよう設計的に決定する。
【発明の効果】
【００１１】
効果１。
インナーPR  の共振周波数  fipr  より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターの振動がキャビネットの外へ向けて音響エネルギーを放射しなくなり、この帯域でのコーンが放射する音響エネルギーを相殺しなくなる。
その結果、歪みがより小さい低音再生特性を得ることができる設計が可能となる。
【００１２】
効果２。
効果１の結果として、
アウターPRではこの帯域を低域遮断しなくてはならなかったが、
インナーPRでは、低域強調を作用することができる音響信号処理設計が可能となる。
従って、この帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となり、結果、より低域へと再生帯域を広げることが可能となる。
【００１３】
効果３。
fipr  と  fo  の相互作用により  fo  が  fipr  に引き寄せられる性質から、
fo  と  fipr  と  fm  がなだらかな山形状のインピーダンス特性となるよう設計が可能となる。
従って、Bom  の帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となる。
【００１４】
効果４。
なだらかな山形状を持つ  Bom  の帯域でインピーダンスの絶対値の平均値をボイスコイルの抵抗値の  1.4倍  から  3倍  に設計することも可能となることから、
ボイスコイルの熱損失が一定の条件ではこの帯域での駆動電圧を  1.4倍  から  3倍  とすることが可能となる。
かまたは、
ボイスコイルの直流抵抗を  (1/2)倍  から  (1/9)倍  とすることが可能となる、
かまたは
双方を案分する範囲で自由度を持つ設計が可能となる。
その結果、ボイスコイルの駆動電力が  1.4倍  から  3倍  となり、帯域  Bio  で、増やすことができる駆動電力の大部分は音響放射のエネルギーとなり、この帯域の変換効率を大幅に改善できる。
インピーダンスの特性図はボイスコイルの直流抵抗も合成されていることから、事実上の音響放射に対応するインピーダンスはグラフから読み取れるインピーダンス谷間よりも深くなっている。従って、この谷間での音響エネルギーへの変換効率は極めて小さく、グラフから感じる特性とは異なるのが一般的である。この谷間をイコライジングで埋めようとしてもダイナミックレンジが不足し、定格電力での駆動は到底できない。
このような理由もあって、インピーダンス特性がボイスコイルの直流抵抗に比べ数dBでも大きくなれば、この帯域の再生特性が著しく改善できることが実験で検証できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の課題の説明のための一供試品のインピーダンス特性図
【図２】図１のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図３】図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インピーダンス特性図
【図４】図３のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図５】アウターPRとインナーPRの歪み特性の比較図
【図６】従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図
【図７】供試品の説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
小型車用小形軽量スピーカーシステム
携帯端末用超小型スピーカーシステム
卓上用小形スピーカーシステム
【産業上の利用可能性】
【００１７】
低音再生効率が高く、低音再生設計が容易な小型スピーカーシステム
【実施例】
【００１８】
図１は、従来の課題の説明のための供試品のインピーダンス特性図である。
横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。
10ohm  は  10オーム  の純抵抗、Double + Edge  は振動型スピーカーシステムの一供試品のインピーダンス特性、Double Edge + Outer PR  は振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品のインピーダンス特性である。この特性図の説明は課題１に記述のとおりである。
【００１９】
図２は、図１のインピーダンス特性を持つ一供試品のコーンの振動振幅特性図である。
横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。
Double Edge  と  Double Edge + Outer PR  は、それぞれ振動型スピーカーシステムの供試品の振動振幅特性  と  振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品の振動振幅特性である。この特性図の説明は課題３に記述のとおりである。
【００２０】
図３は、図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インナ−PRの供試品のインピーダンス特性図である。横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。
Double Edge + innnerPR  PR-Back Cabity=XXcm^3  はインナーPRの密閉箱の容積が
XXcm^3  であることを示す。
密閉箱の  5cm^  と  11cm^3  と  18cm^3  の３種類についてインピーダンス特性の違いを示す。
密閉箱の容積が  5cm^3  の場合は  fipr  が高いので、fo  には近づくものの、fm  から離れるため、帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。
密閉箱の容積が  11cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は小さい。
密閉箱の容積が  18cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。このように、第１共振、第２共振、第３共振の相互干渉によって帯域  Bio  のインピーダンス特性は大きく変化する。どの特性にするかは設設計的に決定する。
帯域  Bio  をなだらかな山形状にするには、複数の共振特性の相互作用があることから、インナーPRの密閉箱の容積や重りの質量の細かい調節が必要である。
【００２１】
図４は、図３のインピーダンス特性を持つインナーPRの供試品のコーンの振動特性図である。横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。
70Hz  付近の小さい山は振動型スピーカーシステムであることによる。コーンの振動は  200Hz  付近から低域へ向かって、70Hz  付近まで  デカード当たり  20dB  の上昇直線から高々  4dB  不足している程度である。そして、帯域  Bio  において、図２のアウターPRを使った場合に比べ、くびれがないことを示している。しかも、Bio  の帯域でのコーンとインナー-PRの双方の再生信号が相殺されることはないので、この供試品のスピーカーシステム固有の特性の補正としては、70Hz  以上の範囲で  イコライザによる  高々  4dB  程度  で済むことを示している。しかも  70Hz  付近から低い周波数の範囲では、振動型スピーカーシステムが発生する強力な機械振動により構造物が振動し、超低音を発生する。従って、  fo  以下の範囲で充分な低音再生特性を得ることができる。
【００２２】
図５は、アウターPRとインナーPRの双方の、スピーカーシステムへの印加電圧が等しい場合の歪み特性の比較図である。
横軸は周波数、縦軸は音圧レベルである。
アウターPR  の歪み特性は課題２に説明のとおりである。
Double-Edge + Innner-PR  はインナーPRを使った場合の歪み特性である。
アウターPR  を使った場合の歪み特性と比較しやすいように半音だけ周波数を変えている。図５（ａ）から読み取れるように、インナーPRの場合の基本周波数の再生音圧はアウターPRより  10dB  大きくなっている。図５（ｂ）は基本波に対する高調波の割合を  dB  単位で示す。1st  から  7th  までは  それぞれ高調波の次数を示す。高調波の割合が  それぞれの周波数において、11dB以上、7dB、8dB、18dB以上、17dB、17dB  小さくなっていて、大幅な改善ができていることを示す。
【００２３】
図６は、従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図である。
図６（ａ）はアウターPRの場合の構成図、図６（ｂ）はインナーPRが、キャビネットの背面にある場合の構成図、図６（ｃ）はインナーPRが、キャビネットの内部の空間にある場合の構成図、図６（ｄ）はインナーPR、キャビネットの側面に複数個を儲けた場合の構成図を示す。
Cabinet  はキャビネット、SP  はスピーカーユニット、2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜、
Outer PR  はアウターPR、Inner PR  はインナーPR  である。
【００２４】
図７は供試品の写真である。この供試品は、従来品と本案の裏付けの説明をデータ上で比較説明するためのワーキングサンプルである。
この供試品は、インナーPR構造の場合、中型の乗用車のフロントガラス付近のダッシュボードの左右にそれぞれ１個、合計２個を取りつけることで、カーオーディオとしての実用的な範囲で、現状品の４個のドアスピーカーに代わる音響性能を得ることができる。
スピーカーシステムが小形であることから、運転席前方にスピーカーシステムの設置が可能となり、前方からの全帯域音響放射は、後方座席に対しても充分な音質と音量を確保できる。しかも、実験結果ではあるが、結果として、ドアスピーカーに比べて高速走行時の走行騒音に対し音量を上げる率が小さくて済む、という効果も得られる。
【００２５】
スピーカーシステムは、
外直径               72mm
高さ                 65mm
全質量               211g
【００２６】
スピーカーユニットは、
公称口径           2.25インチ
公称インピーダンス 8ohm
公称許容電力              10W
質量               120g
【００２７】
スピーカーユニットとフレームを連結する弾性膜は、
素材               ふうせん用ラテックス
厚み               0.3mm
テンション         7%  全方向引き延ばし
幅                 3mm
【００２８】
インナーPRは、
放射窓面積         34cm^2
重り               5g*8個=40g、  10g  単位で調節可能
内容積             5cm^3，11cm^3，18cm^3、  スライド調節可能
弾性膜の素材              ふうせん用ラテックス
その厚み         0.3mm
そのテンション   7%  全方向引き延ばし
その幅           3mm
【００２９】
キャビネットは
内容積               144cm^3、  スピーカーユニットの構造物を含む
【００３０】
図７（ａ）は供試品の音響放射面側の写真である。
2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜である。弾性膜は、円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  スピーカーユニットを乗せる枠を接着し、その枠にスピーカーユニットを接着したものである。性能上、ラテックスを使用する必然性はない。
供試品の場合、最適状態に至るまでの期間を大幅に短縮する必要がある。そのため、最適な弾性と可動範囲を探るために、最小限の待ち時間でのカットアンドトライの行程を必要とする。スピーカーユニットを除いた全ての部品を机上の手作りで試作することで１サイクルの修正作業と性能確認時間を最小限とし、結果を出すまでの全行程を短縮することで複雑な組み合わせと相互関係からなる系の最適解にたどりつかなければならない。
最適な弾性係数と可動範囲の最適解へ至る筋道への手法と手順を掌握する、その追い込みのために、入手しやすく、手早く加工しやすいラテックスを使っている。ラテックスは厳しい環境で使われるカーオーディオの量産化に適した材質ではない。
Cone  はスピーカーユニットのコーン、Edge  はスピーカーユニットのエッジ、Frame  はスピーカーユニットのフレーム、Cabinet  はキャビネット、
IPR Cover  はインナーPRの容積を調節する裏蓋、Adjust  はインナーPRの容積を調節する裏蓋のスライド方向、IPR Case  はインナーPRの側面キャビネット、IPR Weight  はインナーPRの重り、IPR Edge  はインナーPRの弾性膜、IPR Plate  はインナーPRの重りを弾性膜上に均等に乗せる台、IPR Frame  はインナーPRの弾性膜のフレーム、である。
供試品の場合、インナーPRの弾性膜は  2nd Edge  と同じである。
【００３１】
fo  はスピーカーユニット固有の性質とキャビネットの容積と空気の性質を主な要因とするファクターであるが、小型のスピーカーではキャビネットが小容積であることの影響が大きく作用する。fo  を、できれば  150Hz  付近に設計したいところであるが、高域の性能との協調への配慮も必要なことから、この程度のサイズのスピーカーシステムでは  200Hz  以上になることが通常である。
本案の実証に使った供試品の  fo  は、260Hz  にある。この値は、低音再生が必修条件であるカーオーディオの場合、致命的とも言える。
【００３２】
しかしながら、スピーカーシステムの小型軽量化は近年の乗用車にとっては一つの課題である。この程度の大きさと重量であって、全帯域再生ができれば、その価値は充分である。260Hz  の  fo  を持つスピーカーシステムを超低音再生まで再生できるようどのようにして工夫するかはスピーカーシステムの設計現場では大きな課題でもある。
一方、振動型スピーカーは、
スピーカーユニットを自身の振動で振動させ、その振動をキャビネットを介して大きな構造物に伝えることで、その構造物の音響放射効果を利用して超低音の帯域を再生するものである。小形で超低音を容易に再生できることから、この種類のスピーカーシステムは市場に少なくない。
しかし、超低音と中低音の中間の帯域の良好な再生が難しく、日常生活の中で多様なユーザー層に広く普及しているカーオーディオのような場合、音の品質には汎用性を要求されることから、振動型のスピーカーでは、音質に関する普遍的な水準を満足することができない。
【００３３】
そこで、パッシブラジエーターを使って  fo  と  fm  の中間帯域をカバーする、という手法を容易に思いつくが、実用化されていない理由がある。
パッシブラジエーターは簡単に低音感を再生できるので、小形スピーカーでは必然の手法である。近年の市場における低音再生できる小形スピーカーのほとんどにパッシブラジエーターが使われている。
しかし、パッシブラジエーターに関しても、低音感は再生できるものの  fpr  以下の低い周波数帯域では歪みが大きく、特にベースドラムの再生音ではアタックの部分で原音とは大きく異なる違和感のある音質となる。これには二つの理由がある。
第１の理由は、
fpr  より少し高い周波数帯域では  パッシブラジエーターとコーンの双方の放射音は定常状態では同相または同相に近い状態にあるが、アタックの過渡状態では双方が逆相かまたは逆相に近い状態にあって、音質に大きな違和感を及ぼす。この音質は普遍的水準にはほど遠いものである。
第２の理由は、
fpr  付近より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターとコーンからの放射音の双方の位相が定常的に逆相または逆相に近い状態であることから、肝心の基本波が相殺され、歪み成分である高調波成分が際立つことによる。そのため、  fpr  付近から低い周波数帯は低域遮断を作用させなければならない。
結局のところ、アウターPRでは、広い低音域で普遍性のある水準の市場ニーズを満足する再生特性が得られない、という結果となる。
【００３４】
図７（ｂ）は供試品の背面側の写真である。背面はインナーPRの裏蓋であって、内容積をスライド調節できる構造となっていて、重りとの組み合わせで最適容積を選択する。
【００３５】
図７（ｃ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  重りを乗せる台を接着し、その台に直径  20mm、
厚み  1.5mm  の複数の重りが接着されている。インピーダンス特性を確認しながら、重りの数によって最適質量を選択する。
図７（ｄ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。インナーＰＲの側壁の枠を取り付けた状態である。
【符号の説明】
【００３６】
いずれの図においても同記号は同機能である。
【００３７】
図１、図２
Impedance                   インピーダンス
Displacement                振動振幅
10ohm                       純抵抗
Double Edge                 スピーカーユニットとキャビネットを連結する弾性膜
Double Edge + Outer PR             振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせ
【００３８】
図３、図４
Doubl Edge + Inner PR              振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせ
PR Back Capacity=XX^3              XX  がインナーPRの密閉箱の容積
【００３９】
図5
1st,,,7th                          基本波から第7次の高調波まで
Double Edge + Outer PR(1st-xxdB)
振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせの基本波に
対する高調波の比の  dB  換算値
Double Edge + Inner PR(1st-xxdB)
振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせの基本波に
対する高調波の比の  dB  換算値
【００４０】
図６
Cbinet        キャビネット
SP            はスピーカーユニット
2nd Edge      弾性膜、
Outer PR      アウターPR
Inner PR      インナーPR
【００４１】
図７
2nd Edge      スピーカーユニットをキャビネットに取りつける弾性膜
Cone          コーン
Edge          スピーカーユニトのコーンのエッジ
Frame         スピーカーユニトのフレーム
Cabinet              キャビネット
IPR Cover     インナーPRの裏蓋
Adjust        裏蓋を移動させインナーPRの内容積の調整方向
IPR Case      インナーPRの側面ケース
IPR Weight    インナーPRの重り
IPR Edge      インナーPRの弾性膜
IPR Plate     インナーPRの重りを乗せる台
IPR Frame     インナーPRの弾性膜のフレーム
【図１】
2020053749.tif 000002
【図２】
2020053749.tif 000003
【図３】
2020053749.tif 000004
【図４】
2020053749.tif 000005
【図５】
2020053749.tif 000006
【図６】
2020053749.tif 000007
【図７】
2020053749.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月5日(2018.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】パッシブラジエータの効果を利用する小形軽量スピーカーの低音再生方法。スピーカーユニットとキャビネットを弾性体で結合し、スピーカーユニットを振動させることで、その振動エネルギーを取り付け先の構造体に伝達し、取り付け先の構造体の広い放射面積を利用し、より強い低音再生を得る方法パッシブラジエータとコーンの振動位相関係
【背景技術】
【０００２】機械振動解析と設計
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】実願  ２０１５−３２９８振動型スピーカーとその低音再生特性を補正する方法に関する。振動型スピーカーは小形軽量のスピーカーユニットで低音再生範囲を広げるために強力な方法の一つであるが、強い共振特性を利用した低音再生効率の改善方法であることから広い再生帯域を得ることが難しい。信号処理によってこの弱点を補正する必要があるが、弱点に対し補正が過ぎると異常音を再生することになり、リニアリティの限界を超えないよう精密な補正を必要とする。特願  ２０１５−２２１０８９請求項に記述の振動型スピーカーの構造に関する。特願2010-251188  スピーカー装置特願2011-514324  スピーカー装置特開2010-097146  吸音構造群及び音響室特開2010-097145  吸音構造群及び音響室特開2010-031582  吸音構造群及び音響室特開2007-336337  スピーカーシステムおよびスピーカーエンクロージャ以上に記述されるスピーカーシステムの設計方法は低音再生性能の改善に関する。
【発明の概要】
【０００４】請求項で定義した用語と記号は明細書においても同様とする。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】課題１。振動型スピーカーの機械振動の共振周波数  fm  と、主にスピーカーユニットとキャビネットから決まる共振周波数  f0  との間のインピーダンス特性の谷間  Bom  が広いことにより期待する低音再生特性を得ることが難しい。このことは、図１の供試品の特性図が示す。図１のグラフはインピーダンスの特性図である。Double Edge  は振動型スピーカーを意味するものとする。55Hz  付近の小山は第２共振によるもので、260Hz  付近の大きな山が  第１共振によるものである。図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。Double Edge  の55Hz  付近の小さい山と  75Hz  付近の小さい谷が第２共振によるものである。
【０００６】課題２。パッシブラジエーターを利用して  共振周波数  fpr  を  Bom  の中間に埋める方法があるが、パッシブラジエーターの特性として、fpr  より低い帯域では  コーンとパッシブラジエーターの振動が  音圧を基準にして  逆相または逆相に近い関係にあり、再生信号の基本波が相殺されることで、高調波歪みと混変調歪みが残る、という性質がある。従って、パッシブラジエーターを使ったスピーカーシステムでは信号処理の段階で、この帯域の再生を抑制する低域遮断を儲けるのが一般的である。図５に供試品の歪みの特性図を示す。Doubl Edge + OuterPR  は振動型スピーカーシステムにアウターPRを組み合わせた場合の特性であり、Doubl Edge + InnerPR  は振動型スピーカーシステムに本案のインナーPRを組み合わせた場合の特性である。図５（ａ）のグラフは供試品のスピーカーシステムの、入力電圧が公称定格の  50%  における  Doubl Edge + OuterPR側が  73.5Hz  とDouble Edge + InnerPR側が  78.0Hz  の再生音のスペクトル特性図である。双方の周波数が半オクターブ異なるのは双方の特性の違いを見やすくするためである。73.5Hz  はコントラバスの最も低い開放弦の振動周波数である。73.5Hz*2=157Hz  から始まって高い周波数帯に現れる山は高調波歪み成分である。図５（ｂ）はグラフから拾った数値の表である。それぞれの数値は基本波を  0dB  とした場合の  第2次  から  第7次  までの高調波の比率の  dB  換算値である。Doubl Edge + OuterPR  の場合、第３高調波と第４高調波の歪みを合成すると基本波に対し  53%  の歪み率となる。この歪みの主な原因は基本波に歪みがあって、アウターPRの放射音とコーンの放射音の位相が逆となっていることから、基本波が相殺されることによる。
【０００７】課題３．パッシブラジエーターで  インピーダンス谷間  Bom  を埋める場合、課題２の理由によって、fpr  より低い周波数域が再生帯として使えないことから、fpr  を  f0  に近づけると、再生に適さない領域が広くなって、もともと  良好で広い低音再生帯域を得たい  という目的に反することとなる。
【０００８】課題４．fpr  と  fo  の間隔が広い場合、この周波数帯には  インピーダンスの深い谷間ができて、均一な低音再生特性を得ることが難しくなる。同時に、この帯域でのボイスコイルの駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が大きくなり、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が低下する原因となる。このことは、図１の供試品の  Doble Edge + OuterPR  特性図が示す。図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。Double Edge + Outer-PR  の  160Hz  付近の深い谷が第１共振とアウターPRの位相関係によるものである。fpr  と  fo  の間は、105Hz付近と260Hz付近にある二つの急峻で高い山と、160Hz付近にある一つの深い谷の特性となる。この谷間では、駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が高い。Double Edge  の  55Hz  付近の谷は第２共振によるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】手段１。パッシブラジエーターのキャビネットの外への放射面を密閉箱で覆う。これをインナーPRとする。
【００１０】手段２。インナーPRの共振周波数  fipr  を  Bom  の中間の  fo  におけるインピーダンス特性の急峻な山形状が崩れてなだらかになるよう設計的に決定する。
【発明の効果】
【００１１】効果１。インナーPR  の共振周波数  fipr  より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターの振動がキャビネットの外へ向けて音響エネルギーを放射しなくなり、この帯域でのコーンが放射する音響エネルギーを相殺しなくなる。その結果、歪みがより小さい低音再生特性を得ることができる設計が可能となる。
【００１２】効果２。効果１の結果として、アウターPRではこの帯域を低域遮断しなくてはならなかったが、インナーPRでは、低域強調を作用することができる音響信号処理設計が可能となる。従って、この帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となり、結果、より低域へと再生帯域を広げることが可能となる。
【００１３】効果３。fipr  と  fo  の相互作用により  fo  が  fipr  に引き寄せられる性質から、fo  と  fipr  と  fm  がなだらかな山形状のインピーダンス特性となるよう設計が可能となる。従って、Bom  の帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となる。
【００１４】効果４。なだらかな山形状を持つ  Bom  の帯域でインピーダンスの絶対値の平均値をボイスコイルの抵抗値の  1.4倍  から  3倍  に設計することも可能となることから、ボイスコイルの熱損失が一定の条件ではこの帯域での駆動電圧を  1.4倍  から  3倍  とすることが可能となる。かまたは、ボイスコイルの直流抵抗を  (1/2)倍  から  (1/9)倍  とすることが可能となる、かまたは双方を案分する範囲で自由度を持つ設計が可能となる。その結果、ボイスコイルの駆動電力が  1.4倍  から  3倍  となり、帯域  Bio  で、増やすことができる駆動電力の大部分は音響放射のエネルギーとなり、この帯域の変換効率を大幅に改善できる。インピーダンスの特性図はボイスコイルの直流抵抗も合成されていることから、事実上の音響放射に対応するインピーダンスはグラフから読み取れるインピーダンス谷間よりも深くなっている。従って、この谷間での音響エネルギーへの変換効率は極めて小さく、グラフから感じる特性とは異なるのが一般的である。この谷間をイコライジングで埋めようとしてもダイナミックレンジが不足し、定格電力での駆動は到底できない。このような理由もあって、インピーダンス特性がボイスコイルの直流抵抗に比べ数dBでも大きくなれば、この帯域の再生特性が著しく改善できることが実験で検証できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の課題の説明のための一供試品のインピーダンス特性図
【図２】図１のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図３】図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インピーダンス特性図
【図４】図３のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図５】アウターPRとインナーPRの歪み特性の比較図
【図６】従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図
【図７】供試品の説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】小型車用小形軽量スピーカーシステム携帯端末用超小型スピーカーシステム卓上用小形スピーカーシステム
【産業上の利用可能性】
【００１７】低音再生効率が高く、低音再生設計が容易な小型スピーカーシステム
【実施例】
【００１８】図１は、従来の課題の説明のための供試品のインピーダンス特性図である。横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。10ohm  は  10オーム  の純抵抗、Double + Edge  は振動型スピーカーシステムの一供試品のインピーダンス特性、Double Edge + Outer PR  は振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品のインピーダンス特性である。この特性図の説明は課題１に記述のとおりである。【００１９】図２は、図１のインピーダンス特性を持つ一供試品のコーンの振動振幅特性図である。横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。Double Edge  と  Double Edge + Outer PR  は、それぞれ振動型スピーカーシステムの供試品の振動振幅特性  と  振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品の振動振幅特性である。この特性図の説明は課題３に記述のとおりである。 【００２０】図３は、図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インナ−PRの供試品のインピーダンス特性図である。横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。Double Edge + innnerPR  PR-Back Cabity=XXcm^3  はインナーPRの密閉箱の容積がXXcm^3  であることを示す。密閉箱の  5cm^  と  11cm^3  と  18cm^3  の３種類についてインピーダンス特性の違いを示す。密閉箱の容積が  5cm^3  の場合は  fipr  が高いので、fo  には近づくものの、fm  から離れるため、帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。密閉箱の容積が  11cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は小さい。密閉箱の容積が  18cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。このように、第１共振、第２共振、第３共振の相互干渉によって帯域  Bio  のインピーダンス特性は大きく変化する。どの特性にするかは設設計的に決定する。帯域  Bio  をなだらかな山形状にするには、複数の共振特性の相互作用があることから、インナーPRの密閉箱の容積や重りの質量の細かい調節が必要である。【００２１】図４は、図３のインピーダンス特性を持つインナーPRの供試品のコーンの振動特性図である。横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。70Hz  付近の小さい山は振動型スピーカーシステムであることによる。コーンの振動は  200Hz  付近から低域へ向かって、70Hz  付近まで  デカード当たり  20dB  の上昇直線から高々  4dB  不足している程度である。そして、帯域  Bio  において、図２のアウターPRを使った場合に比べ、くびれがないことを示している。しかも、Bio  の帯域でのコーンとインナー-PRの双方の再生信号が相殺されることはないので、この供試品のスピーカーシステム固有の特性の補正としては、70Hz  以上の範囲で  イコライザによる  高々  4dB  程度  で済むことを示している。しかも  70Hz  付近から低い周波数の範囲では、振動型スピーカーシステムが発生する強力な機械振動により構造物が振動し、超低音を発生する。従って、  fo  以下の範囲で充分な低音再生特性を得ることができる。【００２２】図５は、アウターPRとインナーPRの双方の、スピーカーシステムへの印加電圧が等しい場合の歪み特性の比較図である。横軸は周波数、縦軸は音圧レベルである。アウターPR  の歪み特性は課題２に説明のとおりである。Double-Edge + Innner-PR  はインナーPRを使った場合の歪み特性である。アウターPR  を使った場合の歪み特性と比較しやすいように半音だけ周��数を変えている。図５（ａ）から読み取れるように、インナーPRの場合の基本周波数の再生音圧はアウターPRより  10dB  大きくなっている。図５（ｂ）は基本波に対する高調波の割合を  dB  単位で示す。1st  から  7th  までは  それぞれ高調波の次数を示す。高調波の割合が  それぞれの周波数において、11dB以上、7dB、8dB、18dB以上、17dB、17dB  小さくなっていて、大幅な改善ができていることを示す。【００２３】図６は、従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図である。図６（ａ）はアウターPRの場合の構成図、図６（ｂ）はインナーPRが、キャビネットの背面にある場合の構成図、図６（ｃ）はインナーPRが、キャビネットの内部の空間にある場合の構成図、図６（ｄ）はインナーPR、キャビネットの側面に複数個を儲けた場合の構成図を示す。Cabinet  はキャビネット、SP  はスピーカーユニット、2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜、Outer PR  はアウターPR、Inner PR  はインナーPR  である。【００２４】図７は供試品の写真である。この供試品は、従来品と本案の裏付けの説明をデータ上で比較説明するためのワーキングサンプルである。この供試品は、インナーPR構造の場合、中型の乗用車のフロントガラス付近のダッシュボードの左右にそれぞれ１個、合計２個を取りつけることで、カーオーディオとしての実用的な範囲で、現状品の４個のドアスピーカーに代わる音響性能を得ることができる。スピーカーシステムが小形であることから、運転席前方にスピーカーシステムの設置が可能となり、前方からの全帯域音響放射は、後方座席に対しても充分な音質と音量を確保できる。しかも、実験結果ではあるが、結果として、ドアスピーカーに比べて高速走行時の走行騒音に対し音量を上げる率が小さくて済む、という効果も得られる。【００２５】スピーカーシステムは、外直径                                72mm高さ                                   65mm全質量                                211g【００２６】スピーカーユニットは、  公称口径                         2.25インチ  公称インピーダンス       8ohm  公称許容電力                  10W  質量                                120g【００２７】スピーカーユニットとフレームを連結する弾性膜は、  素材                                ふうせん用ラテックス  厚み                                0.3mm  テンション                     7%  全方向引き延ばし  幅                                   3mm【００２８】インナーPRは、  放射窓面積                     34cm^2  重り                                5g*8個=40g、  10g  単位で調節可能  内容積                            5cm^3，11cm^3，18cm^3、  スライド調節可能  弾性膜の素材                  ふうせん用ラテックス    その厚み                     0.3mm    そのテンション           7%  全方向引き延ばし    その幅                         3mm【００２９】キャビネットは内容積                                144cm^3、  スピーカーユニットの構造物を含む【００３０】図７（ａ）は供試品の音響放射面側の写真である。2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜である。弾性膜は、円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  スピーカーユニ��トを乗せる枠を接着し、その枠にスピーカーユニットを接着したものである。性能上、ラテックスを使用する必然性はない。供試品の場合、最適状態に至るまでの期間を大幅に短縮する必要がある。そのため、最適な弾性と可動範囲を探るために、最小限の待ち時間でのカットアンドトライの行程を必要とする。スピーカーユニットを除いた全ての部品を机上の手作りで試作することで１サイクルの修正作業と性能確認時間を最小限とし、結果を出すまでの全行程を短縮することで複雑な組み合わせと相互関係からなる系の最適解にたどりつかなければならない。最適な弾性係数と可動範囲の最適解へ至る筋道への手法と手順を掌握する、その追い込みのために、入手しやすく、手早く加工しやすいラテックスを使っている。ラテックスは厳しい環境で使われるカーオーディオの量産化に適した材質ではない。Cone  はスピーカーユニットのコーン、Edge  はスピーカーユニットのエッジ、Frame  はスピーカーユニットのフレーム、Cabinet  はキャビネット、IPR Cover  はインナーPRの容積を調節する裏蓋、Adjust  はインナーPRの容積を調節する裏蓋のスライド方向、IPR Case  はインナーPRの側面キャビネット、IPR Weight  はインナーPRの重り、IPR Edge  はインナーPRの弾性膜、IPR Plate  はインナーPRの重りを弾性膜上に均等に乗せる台、IPR Frame  はインナーPRの弾性膜のフレーム、である。供試品の場合、インナーPRの弾性膜は  2nd Edge  と同じである。【００３１】fo  はスピーカーユニット固有の性質とキャビネットの容積と空気の性質を主な要因とするファクターであるが、小型のスピーカーではキャビネットが小容積であることの影響が大きく作用する。fo  を、できれば  150Hz  付近に設計したいところであるが、高域の性能との協調への配慮も必要なことから、この程度のサイズのスピーカーシステムでは  200Hz  以上になることが通常である。本案の実証に使った供試品の  fo  は、260Hz  にある。この値は、低音再生が必修条件であるカーオーディオの場合、致命的とも言える。【００３２】しかしながら、スピーカーシステムの小型軽量化は近年の乗用車にとっては一つの課題である。この程度の大きさと重量であって、全帯域再生ができれば、その価値は充分である。260Hz  の  fo  を持つスピーカーシステムを超低音再生まで再生できるようどのようにして工夫するかはスピーカーシステムの設計現場では大きな課題でもある。一方、振動型スピーカーは、スピーカーユニットを自身の振動で振動させ、その振動をキャビネットを介して大きな構造物に伝えることで、その構造物の音響放射効果を利用して超低音の帯域を再生するものである。小形で超低音を容易に再生できることから、この種類のスピーカーシステムは市場に少なくない。しかし、超低音と中低音の中間の帯域の良好な再生が難しく、日常生活の中で多様なユーザー層に広く普及しているカーオーディオのような場合、音の品質には汎用性を要求されることから、振動型のスピーカーでは、音質に関する普遍的な水準を満足することができない。【００３３】そこで、パッシブラジエーターを使って  fo  と  fm  の中間帯域をカバーする、という手法を容易に思いつくが、実用化されていない理由がある。パッシブラジエーターは簡単に低音感を再生できるので、小形スピーカーで���必然の手法である。近年の市場における低音再生できる小形スピーカーのほとんどにパッシブラジエーターが使われている。しかし、パッシブラジエーターに関しても、低音感は再生できるものの  fpr  以下の低い周波数帯域では歪みが大きく、特にベースドラムの再生音ではアタックの部分で原音とは大きく異なる違和感のある音質となる。これには二つの理由がある。第１の理由は、fpr  より少し高い周波数帯域では  パッシブラジエーターとコーンの双方の放射音は定常状態では同相または同相に近い状態にあるが、アタックの過渡状態では双方が逆相かまたは逆相に近い状態にあって、音質に大きな違和感を及ぼす。この音質は普遍的水準にはほど遠いものである。第２の理由は、fpr  付近より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターとコーンからの放射音の双方の位相が定常的に逆相または逆相に近い状態であることから、肝心の基本波が相殺され、歪み成分である高調波成分が際立つことによる。そのため、  fpr  付近から低い周波数帯は低域遮断を作用させなければならない。結局のところ、アウターPRでは、広い低音域で普遍性のある水準の市場ニーズを満足する再生特性が得られない、という結果となる。【００３４】図７（ｂ）は供試品の背面側の写真である。背面はインナーPRの裏蓋であって、内容積をスライド調節できる構造となっていて、重りとの組み合わせで最適容積を選択する。【００３５】図７（ｃ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  重りを乗せる台を接着し、その台に直径  20mm、厚み  1.5mm  の複数の重りが接着されている。インピーダンス特性を確認しながら、重りの数によって最適質量を選択する。図７（ｄ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。インナーＰＲの側壁の枠を取り付けた状態である。
【符号の説明】
【００３６】いずれの図においても同記号は同機能である。fo           第１共振              スピーカーユニットとキャビネットが持つ音響的性質に依存の共振特性fm          第２共振              スピーカーユニットと背面の空気室の容積と  を主なファクターとするところの              機械振動の共振特性fpr         アウターPRの共振周波数Bom       fo  と  fm  の間のインピーダンス特性の谷間fipr        インナーPRの共振周波数Bio         fipr  と  fo  の間の帯域Bim        fipr  と  fm  の間の帯域K           Bim  のインピーダンスの代表値の、ボイスコイルの直流抵抗に対する倍率【００３７】図１、図２Impedance                                      インピーダンスDisplacement                                  振動振幅10ohm                                             純抵抗Double Edge                                    スピーカーユニットとキャビネットを連結する弾性膜Double Edge + Outer PR                振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせ【００３８】図３、図４Doubl Edge + Inner PR                   振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせPR Back Capacity=XX^3               XX  がインナーPRの密閉箱の容積【００３９】図51st,,,7th                                           基本波から第7次の高調波までDouble Edge + Outer PR(1st-xxdB)                                          振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせの基本波に                                          対する高調波の比の  dB  換算値Double Edge + Inner PR(1st-xxdB)                                          振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせの基本波に                                          対する高調波の比の  dB  換算値【００４０】図６Cbinet                 キャビネットSP                        はスピーカーユニット2nd Edge             弾性膜、Outer PR             アウターPRInner PR             インナーPR【００４１】図７2nd Edge             スピーカーユニットをキャビネットに取りつける弾性膜Cone                    コーンEdge                    スピーカーユニトのコーンのエッジFrame                  スピーカーユニトのフレームCabinet               キャビネットIPR Cover           インナーPRの裏蓋Adjust                 裏蓋を移動させインナーPRの内容積の調整方向IPR Case             インナーPRの側面ケースIPR Weight         インナーPRの重りIPR Edge             インナーPRの弾性膜IPR Plate             インナーPRの重りを乗せる台IPR Frame          インナーPRの弾性膜のフレーム 
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月5日(2019.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を音響信号に変換するユニットをスピーカーユニットとし、
スピーカーユニットとキャビネットを一体化させたものをスピーカーシステムとし、
スピーカーユニットのボイスコイルの振動方向を振動軸とし、
スピーカーユニットが振動方向に可動範囲を持つスピーカーを振動型スピーカーとし、
共振体とはスピーカーユニットのボイスコイル振動に起因して、キャビネット内の空気を介してのエネルギーの授受によって共振するところの、空気振動の共振体と機械振動の共振体のいずれかまたは双方とし、
；
スピーカーシステムの電気的インピーダンス特性をインピーダンスまたはインピーダンス特性とし、
主としてスピーカーユニットとキャビネットが持つ音響的性質に依存して決まる  fo  と呼ばれる共振特性を第１共振とし、
第１共振の共振周波数を  fo  とし、
；
スピーカーユニットの質量と、
スピーカーユニットを支える弾性体のスティフネスと、
スピーカーユニットの背面の空気室の容積と  を主なファクターとするところの機械振動の共振特性を第２共振とし、
第２共振の共振周波数を  fm  とし、
；
スピーカーキャビネットの壁面に儲けたパッシブラジエータをアウターPRとし、
アウターPRはキャビネットの外側に音響放射面を持つものとし、
アウターPRの共振周波数を  fpr  とし、
；
第１共振による  fo  と、小型スピーカーシステムの低音再生にとって有効な手段であるところの第２共振による  fm  と
を持つ振動型スピーカーシステムにおいて、
全帯域再生を課せられた振動型スピーカーシステムでは、
一般的に、高域再生特性の犠牲なくして  fo  を低くすることが容易ではなく、
一般的に、総合的な再生特性を犠牲にするほどにスピーカーユニットの質量を小さくすることなく  fm  を  fo  に近づけることが容易ではなく、
これらの条件によるところの  fo  と  fm  の間に発生するインピーダンス特性の谷間を  インピーダンス谷間とし、その帯域を  Bom  とし、
；
Bom  の範囲内に  共振周波数  fpr  が存在するところのアウターPRを儲けることは、
インピーダンス谷間  Bom  をある程度埋めることができる公知の手法の一つであるが、聴覚では低音感を得られるものの、fpr  と  fo  の間の谷間の特性は埋まらず、
fpr  から  fm  へ向けての低音の領域では、アウターPRの振動とコーンの振動の位相が、再生音圧に照らして逆相となることによって、双方の再生音圧基本周波数が相殺され、高調波歪み率と混変調歪み率が大きくなる性質を低音相殺作用とし、
；
良好な低音特性の再生に必要な、Bom  の幅を狭める設計と、
インピーダンス谷間  Bom  を高いインピーダンス特性で埋めることで得られるところの、総合的な再生特性の改善方法に関する課題の解決を本案の本質とし、
；
アウターPRのキャビネットの外側への音響放射の窓口をPR放射窓とし、
PR放射窓を密閉箱で塞ぐことによって作られるところの、密閉箱とキャビネット内部の空間に面する窓を持つPR放射窓によって形成されるところの固有の共振特性を持つ共振体を  インナーPRとし、
インナーPRが持つ共振特性を第３共振とし、
インナーPRの振動板をインナーPR振動板とし、
インナーPRを有することを第１とし、
；
インナーPRによる共振特性によるところの共振周波数を  fipr  とし、
fipr  は  Bom  の範囲内にあるべく、
インナーPRを構成する密閉箱の容積と、
インナーPR振動板の放射面積と質量と、
を選択設計するものとし、
；
fipr  と  fo  の間の帯域を  Bio  とし、
fipr  と  fm  の間の帯域を  Bim  とし、
；
第１の結果によるところの、
帯域  Bim  において、インナーPR振動板がキャビネットの外側に音響放射をしないことから、アウターPRの場合に発生する低音相殺作用を無くす作用を利用することを第２とし、
第３共振  fipr  の付近での、インナーPR振動板の振動とコーンの振動との位相が同相または同相に近い性質が、fipr  付近のインピーダンス特性をなだらかな山形状とする作用を利用することを第３とし、
なだらかな山形状とする、とは、急峻な山形状の頂点を低くし裾野を広げた形状または裾野が重なる二つの山からなる形の特性とし、
；
第１の結果によるところの、
二つの共振特性が相互干渉の状態にある系では双方の共振特性が影響し合う現象によるところの、fo  と  fipr  が互いに引き寄せ合う性質により  fo  の急峻な山形状のインピーダンス特性をなだらかな山形状に変える作用を利用することを第４とし、
；
第１の結果によるところの、
二つの共振特性が相互干渉の状態にある系では双方の共振特性が影響し合う現象によるところの、fo  と  fipr  が互いに引き寄せ合う性質により、起伏の大きいインピーダンス特性を持つ帯域  Bio  のインピーダンス谷間を埋める作用を利用することを第５とし、
；
帯域  Bio  のインピーダンスの絶対値の  相加平均値または自乗平均値または何らかの基準に基づく代表値  を  帯域  Bio  のインピーダンスの代表値とし、
第１の結果に起因して、
第２と第３と第４と第５との結果によるところの、
帯域  Bim  のインピーダンスの代表値の、ボイスコイルの直流抵抗に対する倍率を  K  とし、
帯域  Bio  において、
インピーダンスがボイスコイルの直流抵抗と同じと見なした場合のボイスコイルの熱損失を基準として、ボイスコイルの熱損失が等しい条件下において、
ボイスコイルの直流抵抗を  1倍  とし、
ボイスコイル電圧を  K倍  大きくし、
ボイスコイル電流を  1倍  とすることで、ボイスコイルの熱損失を変えることなく
帯域  Bio  の、ボイスコイルの駆動電力を  K倍  とすることができる、
かまたは、
ボイスコイルの直流抵抗を  (1/K^2)倍  とし、
インピーダンスを  (1/K^2)*K＝1/K倍  とし、
ボイスコイルの電圧を  1倍  とし、ボイスコイルの電流が  K倍  となることで、
ボイスコイルの熱損失を変えることなく
帯域  Bio  の、ボイスコイルの駆動電力を  K倍  とすることができる、
のいずれをも選択可能であって、
さらに、帯域  Bio  において、
ボイスコイルの熱損失を一定として、駆動電力を  K倍  とする条件において、
ボイスコイルの直流抵抗とボイスコイルの駆動電力の値を設計的に選択決定できることを第６とし、
；
スピーカーユニットのボイスコイルの振動軸方向にスピーカーユニットの振動を可能とする振動型スピーカーシステムと、
振動型スピーカーシステムのキャビネット外への音響放射面を持たず、キャビネット内に音響放射面を持つ共振体と、
いずれも公知の手段を組み合わせた構造を持つことを特徴とするところの、
第１と、
第１の結果によるところの第２と第３と第４と第５と、
第２から第５までの結果によるところの第６と、
によって、
振動スピーカーの機械振動によるところの、fipr  より低い超低音帯域を遮断することなく再生範囲として利用が可能となるところの、かつ、
fo  付近より低い低音帯域の歪み率を小さくし音量を大幅に改善できるところの、かつ、
低音帯域において、ボイスコイルの熱損失を大きくすることなく、ボイスコイルの駆動電力を大きくすることができるところの、スピーカーシステム。
【請求項２】
fo  と  fm  の中間に共振周波数を持つところの振動板と振動板の背面に密閉空間を有する共振体を、キャビネット内共振体とし、
キャビネット内共振体とは、請求項１に記述のインナーPRと同じ機能を持つ共振体であるものとし、
インナーPRが、外気と接するアウターPRの外気側に密閉空間を設けることにより密閉空間の中に密閉空間を持つ共振体を設けることに対し、キャビネット内共振体は、スピーカーキャビネットの密閉空間の内部に設けるところの、さらに、密閉空間とダイヤフラムと重りからなるところの１個または複数個の振動面を有する共振体とし、
キャビネット内共振体は、インナーPRが持つところの共振周波数  fipr  を持つものとし、
スピーカーユニットのボイスコイルの振動軸方向にスピーカーユニットの振動を可能とする振動型スピーカーシステムと、
スピーカーシステムのキャビネットの空気室の中に、請求項１に記述のインナーPRの代わりに、キャビネット内共振体を有するところの、
第１と、
第１の結果によるところの第２と第３と第４と第５と、
第２から第５までの結果によるところの第６と、
によって、
振動スピーカーの機械振動によるところの、fipr  より低い超低音帯域を遮断することなく再生範囲として利用が可能となるところの、かつ、
fo  付近より低い低音帯域の歪み率を小さくし音量を大幅に改善できるところの、かつ、
低音帯域において、ボイスコイルの熱損失を大きくすることなく、ボイスコイルの駆動電力を大きくすることができるところの、スピーカーシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パッシブラジエータの効果を利用する小形軽量スピーカーの低音再生方法。
スピーカーユニットとキャビネットを弾性体で結合し、スピーカーユニットを振動させることで、その振動エネルギーを取り付け先の構造体に伝達し、取り付け先の構造体の広い放射面積を利用し、より強い低音再生を得る方法
パッシブラジエータとコーンの振動位相関係
【背景技術】
【０００２】
機械振動解析と設計
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
実願  ２０１５−３２９８
振動型スピーカーとその低音再生特性を補正する方法に関する。
振動型スピーカーは小形軽量のスピーカーユニットで低音再生範囲を広げるために強力な方法の一つであるが、強い共振特性を利用した低音再生効率の改善方法であることから広い再生帯域を得ることが難しい。信号処理によってこの弱点を補正する必要があるが、弱点に対し補正が過ぎると異常音を再生することになり、リニアリティの限界を超えないよう精密な補正を必要とする。
特願  ２０１５−２２１０８９
請求項に記述の振動型スピーカーの構造に関する。
特願2010-251188  スピーカー装置
特願2011-514324  スピーカー装置
特開2010-097146  吸音構造群及び音響室
特開2010-097145  吸音構造群及び音響室
特開2010-031582  吸音構造群及び音響室
特開2007-336337  スピーカーシステムおよびスピーカーエンクロージャ
以上に記述されるスピーカーシステムの設計方法は低音再生性能の改善に関する。
【発明の概要】
【０００４】
請求項で定義した用語と記号は明細書においても同様とする。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
課題１。
振動型スピーカーの機械振動の共振周波数  fm  と、主にスピーカーユニットとキャビネットから決まる共振周波数  f0  との間のインピーダンス特性の谷間  Bom  が広いことにより期待する低音再生特性を得ることが難しい。
このことは、図１の供試品の特性図が示す。
図１のグラフはインピーダンスの特性図である。Double Edge  は振動型スピーカーを意味するものとする。55Hz  付近の小山は第２共振によるもので、260Hz  付近の大きな山が  第１共振によるものである。
図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。Double Edge  の
55Hz  付近の小さい山と  75Hz  付近の小さい谷が第２共振によるものである。
【０００６】
課題２。
パッシブラジエーターを利用して  共振周波数  fpr  を  Bom  の中間に埋める方法があるが、パッシブラジエーターの特性として、fpr  より低い帯域では  コーンとパッシブラジエーターの振動が  音圧を基準にして  逆相または逆相に近い関係にあり、再生信号の基本波が相殺されることで、高調波歪みと混変調歪みが残る、という性質がある。
従って、パッシブラジエーターを使ったスピーカーシステムでは信号処理の段階で、この帯域の再生を抑制する低域遮断を儲けるのが一般的である。
図５に供試品の歪みの特性図を示す。
Doubl Edge + OuterPR  は振動型スピーカーシステムにアウターPRを組み合わせた場合の特性であり、Doubl Edge + InnerPR  は振動型スピーカーシステムに本案のインナーPRを組み合わせた場合の特性である。
図５（ａ）のグラフは供試品のスピーカーシステムの、
入力電圧が公称定格の  50%  における  Doubl Edge + OuterPR側が  73.5Hz  と
Double Edge + InnerPR側が  78.0Hz  の再生音のスペクトル特性図である。双方の周波数が半オクターブ異なるのは双方の特性の違いを見やすくするためである。
73.5Hz  はコントラバスの最も低い開放弦の振動周波数である。73.5Hz*2=157Hz  から始まって高い周波数帯に現れる山は高調波歪み成分である。
図５（ｂ）はグラフから拾った数値の表である。それぞれの数値は基本波を  0dB  とした場合の  第2次  から  第7次  までの高調波の比率の  dB  換算値である。
Doubl Edge + OuterPR  の場合、第３高調波と第４高調波の歪みを合成すると
基本波に対し  53%  の歪み率となる。
この歪みの主な原因は基本波に歪みがあって、アウターPRの放射音とコーンの放射音の位相が逆となっていることから、基本波が相殺されることによる。
【０００７】
課題３．
パッシブラジエーターで  インピーダンス谷間  Bom  を埋める場合、課題２の理由によって、
fpr  より低い周波数域が再生帯として使えないことから、fpr  を  f0  に近づけると、
再生に適さない領域が広くなって、もともと  良好で広い低音再生帯域を得たい  という目的に反することとなる。
【０００８】
課題４．
fpr  と  fo  の間隔が広い場合、この周波数帯には  インピーダンスの深い谷間ができて、均一な低音再生特性を得ることが難しくなる。同時に、この帯域でのボイスコイルの駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が大きくなり、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が低下する原因となる。
このことは、図１の供試品の  Doble Edge + OuterPR  特性図が示す。
図２のグラフは図１の供試品のコーンの振動振幅の特性図である。
Double Edge + Outer-PR  の  160Hz  付近の深い谷が第１共振とアウターPRの位相関係によるものである。
fpr  と  fo  の間は、105Hz付近と260Hz付近にある二つの急峻で高い山と、160Hz付近にある一つの深い谷の特性となる。この谷間では、駆動電力に対するボイスコイルの熱損失の割合が高い。
Double Edge  の  55Hz  付近の谷は第２共振によるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
手段１。
パッシブラジエーターのキャビネットの外への放射面を密閉箱で覆う。
これをインナーPRとする。
【００１０】
手段２。
インナーPRの共振周波数  fipr  を  Bom  の中間の  fo  におけるインピーダンス特性の急峻な山形状が崩れてなだらかになるよう設計的に決定する。
【発明の効果】
【００１１】
効果１。
インナーPR  の共振周波数  fipr  より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターの振動がキャビネットの外へ向けて音響エネルギーを放射しなくなり、この帯域でのコーンが放射する音響エネルギーを相殺しなくなる。
その結果、歪みがより小さい低音再生特性を得ることができる設計が可能となる。
【００１２】
効果２。
効果１の結果として、
アウターPRではこの帯域を低域遮断しなくてはならなかったが、
インナーPRでは、低域強調を作用することができる音響信号処理設計が可能となる。
従って、この帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となり、結果、より低域へと再生帯域を広げることが可能となる。
【００１３】
効果３。
fipr  と  fo  の相互作用により  fo  が  fipr  に引き寄せられる性質から、
fo  と  fipr  と  fm  がなだらかな山形状のインピーダンス特性となるよう設計が可能となる。
従って、Bom  の帯域で、低音再生特性を大幅に改善できる設計が可能となる。
【００１４】
効果４。
なだらかな山形状を持つ  Bom  の帯域でインピーダンスの絶対値の平均値をボイスコイルの抵抗値の  1.4倍  から  3倍  に設計することも可能となることから、
ボイスコイルの熱損失が一定の条件ではこの帯域での駆動電圧を  1.4倍  から  3倍  とすることが可能となる。
かまたは、
ボイスコイルの直流抵抗を  (1/2)倍  から  (1/9)倍  とすることが可能となる、
かまたは
双方を案分する範囲で自由度を持つ設計が可能となる。
その結果、ボイスコイルの駆動電力が  1.4倍  から  3倍  となり、帯域  Bio  で、増やすことができる駆動電力の大部分は音響放射のエネルギーとなり、この帯域の変換効率を大幅に改善できる。
インピーダンスの特性図はボイスコイルの直流抵抗も合成されていることから、事実上の音響放射に対応するインピーダンスはグラフから読み取れるインピーダンス谷間よりも深くなっている。従って、この谷間での音響エネルギーへの変換効率は極めて小さく、グラフから感じる特性とは異なるのが一般的である。この谷間をイコライジングで埋めようとしてもダイナミックレンジが不足し、定格電力での駆動は到底できない。
このような理由もあって、インピーダンス特性がボイスコイルの直流抵抗に比べ数dBでも大きくなれば、この帯域の再生特性が著しく改善できることが実験で検証できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の課題の説明のための一供試品のインピーダンス特性図
【図２】図１のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図３】図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インピーダンス特性図
【図４】図３のインピーダンス特性を持つ供試品のコーンの振動振幅特性図
【図５】アウターPRとインナーPRの歪み特性の比較図
【図６】従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図
【図７】供試品の説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
小型車用小形軽量スピーカーシステム
携帯端末用超小型スピーカーシステム
卓上用小形スピーカーシステム
【産業上の利用可能性】
【００１７】
低音再生効率が高く、低音再生設計が容易な小型スピーカーシステム
【実施例】
【００１８】
以下の説明中、インナーPRとは、請求項２に記述のキャビネット内共振体をも意味するものとする。
双方は、取りつける場所による構造が異なるだけで、機能が全く同じであることから、
インナーPRによる効果の説明はキャビネット内共振体の説明を代用する。
図１は、従来の課題の説明のための供試品のインピーダンス特性図である。
横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。
10ohm  は  10オーム  の純抵抗、Double + Edge  は振動型スピーカーシステムの一供試品のインピーダンス特性、Double Edge + Outer PR  は振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品のインピーダンス特性である。この特性図の説明は課題１に記述のとおりである。
【００１９】
図２は、図１のインピーダンス特性を持つ一供試品のコーンの振動振幅特性図である。
横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。
Double Edge  と  Double Edge + Outer PR  は、それぞれ振動型スピーカーシステムの供試品の振動振幅特性  と  振動型スピーカーシステムにアウターPR  を付加した供試品の振動振幅特性である。この特性図の説明は課題３に記述のとおりである。
【００２０】
図３は、図１の供試品に本案の改善を加えた場合の、インナ−PRの供試品のインピーダンス特性図である。横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。
Double Edge + innnerPR  PR-Back Cabity=XXcm^3  はインナーPRの密閉箱の容積が
XXcm^3  であることを示す。
密閉箱の  5cm^  と  11cm^3  と  18cm^3  の３種類についてインピーダンス特性の違いを示す。
密閉箱の容積が  5cm^3  の場合は  fipr  が高いので、fo  には近づくものの、fm  から離れるため、帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。
密閉箱の容積が  11cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は小さい。
密閉箱の容積が  18cm^3  の場合は  帯域  Bom  におけるインピーダンス特性の変動は大きい。このように、第１共振、第２共振、第３共振の相互干渉によって帯域  Bio  のインピーダンス特性は大きく変化する。どの特性にするかは設設計的に決定する。
帯域  Bio  をなだらかな山形状にするには、複数の共振特性の相互作用があることから、インナーPRの密閉箱の容積や重りの質量の細かい調節が必要である。
【００２１】
図４は、図３のインピーダンス特性を持つインナーPRの供試品のコーンの振動特性図である。横軸は周波数、縦軸は振動振幅である。
70Hz  付近の小さい山は振動型スピーカーシステムであることによる。コーンの振動は  200Hz  付近から低域へ向かって、70Hz  付近まで  デカード当たり  20dB  の上昇直線から高々  4dB  不足している程度である。そして、帯域  Bio  において、図２のアウターPRを使った場合に比べ、くびれがないことを示している。しかも、Bio  の帯域でのコーンとインナー-PRの双方の再生信号が相殺されることはないので、この供試品のスピーカーシステム固有の特性の補正としては、70Hz  以上の範囲で  イコライザによる  高々  4dB  程度  で済むことを示している。しかも  70Hz  付近から低い周波数の範囲では、振動型スピーカーシステムが発生する強力な機械振動により構造物が振動し、超低音を発生する。従って、  fo  以下の範囲で充分な低音再生特性を得ることができる。
【００２２】
図５は、アウターPRとインナーPRの双方の、スピーカーシステムへの印加電圧が等しい場合の歪み特性の比較図である。
横軸は周波数、縦軸は音圧レベルである。
アウターPR  の歪み特性は課題２に説明のとおりである。
Double-Edge + Innner-PR  はインナーPRを使った場合の歪み特性である。
アウターPR  を使った場合の歪み特性と比較しやすいように半音だけ周波数を変えている。図５（ａ）から読み取れるように、インナーPRの場合の基本周波数の再生音圧はアウターPRより  10dB  大きくなっている。図５（ｂ）は基本波に対する高調波の割合を  dB  単位で示す。1st  から  7th  までは  それぞれ高調波の次数を示す。高調波の割合が  それぞれの周波数において、11dB以上、7dB、8dB、18dB以上、17dB、17dB  小さくなっていて、大幅な改善ができていることを示す。
【００２３】
図６は、従来と本案のスピーカーシステムの比較構成図である。
図６（ａ）はアウターPRの場合の構成図、図６（ｂ）はインナーPRが、キャビネットの背面にある場合の構成図、図６（ｃ）はインナーPRが、キャビネットの内部の空間にある場合の構成図、図６（ｄ）はインナーPR、キャビネットの側面に複数個を儲けた場合の構成図を示す。
Cabinet  はキャビネット、SP  はスピーカーユニット、2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜、
Outer PR  はアウターPR、Inner PR  はインナーPR  である。
【００２４】
図７は供試品の写真である。この供試品は、従来品と本案の裏付けの説明をデータ上で比較説明するためのワーキングサンプルである。
この供試品は、インナーPR構造の場合、中型の乗用車のフロントガラス付近のダッシュボードの左右にそれぞれ１個、合計２個を取りつけることで、カーオーディオとしての実用的な範囲で、現状品の４個のドアスピーカーに代わる音響性能を得ることができる。
スピーカーシステムが小形であることから、運転席前方にスピーカーシステムの設置が可能となり、前方からの全帯域音響放射は、後方座席に対しても充分な音質と音量を確保できる。しかも、実験結果ではあるが、結果として、ドアスピーカーに比べて高速走行時の走行騒音に対し音量を上げる率が小さくて済む、という効果も得られる。
【００２５】
スピーカーシステムは、
外直径                                72mm
高さ                                   65mm
全質量                                211g
【００２６】
スピーカーユニットは、
公称口径                         2.25インチ
公称インピーダンス       8ohm
公称許容電力                  10W
質量                                120g
【００２７】
スピーカーユニットとフレームを連結する弾性膜は、
素材                                ふうせん用ラテックス
厚み                                0.3mm
テンション                     7%  全方向引き延ばし
幅                                   3mm
【００２８】
インナーPRは、
放射窓面積                     34cm^2
重り                                5g*8個=40g、  10g  単位で調節可能
内容積                            5cm^3，11cm^3，18cm^3、  スライド調節可能
弾性膜の素材                  ふうせん用ラテックス
その厚み                     0.3mm
そのテンション           7%  全方向引き延ばし
その幅                         3mm
【００２９】
キャビネットは
内容積                                144cm^3、  スピーカーユニットの構造物を含む
【００３０】
図７（ａ）は供試品の音響放射面側の写真である。
2nd Edge  はスピーカーユニットを振動軸方向に振動させるに必要な自由度を持たせるための弾性膜である。弾性膜は、円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  スピーカーユニットを乗せる枠を接着し、その枠にスピーカーユニットを接着したものである。性能上、ラテックスを使用する必然性はない。
供試品の場合、最適状態に至るまでの期間を大幅に短縮する必要がある。そのため、最適な弾性と可動範囲を探るために、最小限の待ち時間でのカットアンドトライの行程を必要とする。スピーカーユニットを除いた全ての部品を机上の手作りで試作することで１サイクルの修正作業と性能確認時間を最小限とし、結果を出すまでの全行程を短縮することで複雑な組み合わせと相互関係からなる系の最適解にたどりつかなければならない。
最適な弾性係数と可動範囲の最適解へ至る筋道への手法と手順を掌握する、その追い込みのために、入手しやすく、手早く加工しやすいラテックスを使っている。ラテックスは厳しい環境で使われるカーオーディオの量産化に適した材質ではない。
Cone  はスピーカーユニットのコーン、Edge  はスピーカーユニットのエッジ、Frame  はスピーカーユニットのフレーム、Cabinet  はキャビネット、
IPR Cover  はインナーPRの容積を調節する裏蓋、Adjust  はインナーPRの容積を調節する裏蓋のスライド方向、IPR Case  はインナーPRの側面キャビネット、IPR Weight  はインナーPRの重り、IPR Edge  はインナーPRの弾性膜、IPR Plate  はインナーPRの重りを弾性膜上に均等に乗せる台、IPR Frame  はインナーPRの弾性膜のフレーム、である。
供試品の場合、インナーPRの弾性膜は  2nd Edge  と同じである。
【００３１】
fo  はスピーカーユニット固有の性質とキャビネットの容積と空気の性質を主な要因とするファクターであるが、小型のスピーカーではキャビネットが小容積であることの影響が大きく作用する。fo  を、できれば  150Hz  付近に設計したいところであるが、高域の性能との協調への配慮も必要なことから、この程度のサイズのスピーカーシステムでは  200Hz  以上になることが通常である。
本案の実証に使った供試品の  fo  は、260Hz  にある。この値は、低音再生が必修条件であるカーオーディオの場合、致命的とも言える。
【００３２】
しかしながら、スピーカーシステムの小型軽量化は近年の乗用車にとっては一つの課題である。この程度の大きさと重量であって、全帯域再生ができれば、その価値は充分である。260Hz  の  fo  を持つスピーカーシステムを超低音再生まで再生できるようどのようにして工夫するかはスピーカーシステムの設計現場では大きな課題でもある。
一方、振動型スピーカーは、
スピーカーユニットを自身の振動で振動させ、その振動をキャビネットを介して大きな構造物に伝えることで、その構造物の音響放射効果を利用して超低音の帯域を再生するものである。小形で超低音を容易に再生できることから、この種類のスピーカーシステムは市場に少なくない。
しかし、超低音と中低音の中間の帯域の良好な再生が難しく、日常生活の中で多様なユーザー層に広く普及しているカーオーディオのような場合、音の品質には汎用性を要求されることから、振動型のスピーカーでは、音質に関する普遍的な水準を満足することができない。
【００３３】
そこで、パッシブラジエーターを使って  fo  と  fm  の中間帯域をカバーする、という手法を容易に思いつくが、実用化されていない理由がある。
パッシブラジエーターは簡単に低音感を再生できるので、小形スピーカーでは必然の手法である。近年の市場における低音再生できる小形スピーカーのほとんどにパッシブラジエーターが使われている。
しかし、パッシブラジエーターに関しても、低音感は再生できるものの  fpr  以下の低い周波数帯域では歪みが大きく、特にベースドラムの再生音ではアタックの部分で原音とは大きく異なる違和感のある音質となる。これには二つの理由がある。
第１の理由は、
fpr  より少し高い周波数帯域では  パッシブラジエーターとコーンの双方の放射音は定常状態では同相または同相に近い状態にあるが、アタックの過渡状態では双方が逆相かまたは逆相に近い状態にあって、音質に大きな違和感を及ぼす。この音質は普遍的水準にはほど遠いものである。
第２の理由は、
fpr  付近より低い周波数帯域で、パッシブラジエーターとコーンからの放射音の双方の位相が定常的に逆相または逆相に近い状態であることから、肝心の基本波が相殺され、歪み成分である高調波成分が際立つことによる。そのため、  fpr  付近から低い周波数帯は低域遮断を作用させなければならない。
結局のところ、アウターPRでは、広い低音域で普遍性のある水準の市場ニーズを満足する再生特性が得られない、という結果となる。
【００３４】
図７（ｂ）は供試品の背面側の写真である。背面はインナーPRの裏蓋であって、内容積をスライド調節できる構造となっていて、重りとの組み合わせで最適容積を選択する。
【００３５】
図７（ｃ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。円形の  0.3mm  のラテックスシートを一様に  7%  引き延ばし、引っ張り張力を掛けた状態で外側のフレームを接着し、ラテックスシートの内側に  重りを乗せる台を接着し、その台に直径  20mm、
厚み  1.5mm  の複数の重りが接着されている。インピーダンス特性を確認しながら、重りの数によって最適質量を選択する。
図７（ｄ）は供試品のインナーPRの内部の写真である。インナーＰＲの側壁の枠を取り付けた状態である。
【符号の説明】
【００３６】
いずれの図においても同記号は同機能である。
fo           第１共振
スピーカーユニットとキャビネットが持つ音響的性質に依存の共振特性
fm          第２共振
スピーカーユニットと背面の空気室の容積と  を主なファクターとするところの
機械振動の共振特性
fpr         アウターPRの共振周波数
Bom       fo  と  fm  の間のインピーダンス特性の谷間
fipr        インナーPRの共振周波数
Bio         fipr  と  fo  の間の帯域
Bim        fipr  と  fm  の間の帯域
K           Bim  のインピーダンスの代表値の、ボイスコイルの直流抵抗に対する倍率
【００３７】
図１、図２
Impedance                                      インピーダンス
Displacement                                  振動振幅
10ohm                                             純抵抗
Double Edge                                    スピーカーユニットとキャビネットを連結する弾性膜
Double Edge + Outer PR                振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせ
【００３８】
図３、図４
Doubl Edge + Inner PR                   振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせ
PR Back Capacity=XX^3               XX  がインナーPRの密閉箱の容積
【００３９】
図5
1st,,,7th                                           基本波から第7次の高調波まで
Double Edge + Outer PR(1st-xxdB)
振動型スピーカーとアウターPRの組み合わせの基本波に
対する高調波の比の  dB  換算値
Double Edge + Inner PR(1st-xxdB)
振動型スピーカーとインナーPRの組み合わせの基本波に
対する高調波の比の  dB  換算値
【００４０】
図６
Cbinet                 キャビネット
SP                        はスピーカーユニット
2nd Edge             弾性膜、
Outer PR             アウターPR
Inner PR             インナーPR
【００４１】
図７
2nd Edge             スピーカーユニットをキャビネットに取りつける弾性膜
Cone                    コーン
Edge                    スピーカーユニトのコーンのエッジ
Frame                  スピーカーユニトのフレーム
Cabinet               キャビネット
IPR Cover           インナーPRの裏蓋
Adjust                 裏蓋を移動させインナーPRの内容積の調整方向
IPR Case             インナーPRの側面ケース
IPR Weight         インナーPRの重り
IPR Edge             インナーPRの弾性膜
IPR Plate             インナーPRの重りを乗せる台
IPR Frame          インナーPRの弾性膜のフレーム