(57)【要約】【課題】  入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との差を低減できるスピーカシステムを提供する。【解決手段】  実施形態に係るスピーカシステムは、複数のフィルタ、複数のスピーカ、及び集音部を備える。複数のフィルタは、第１信号をフィルタリングして複数の第２信号を生成する。複数のスピーカは、前記複数の第２信号を音波に変換する。集音部は、前記複数のスピーカから出力される音波を合成して合成音波を生成する。前記複数のスピーカから評価点までの伝達特性は互いに異なる。前記複数のフィルタは、前記第１信号から前記評価点での前記合成音波の音圧を示す出力信号までの伝達特性が目標伝達特性に一致するように設計される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１信号をフィルタリングして複数の第２信号を生成する複数のフィルタと、
前記複数の第２信号を音波に変換する複数のスピーカと、
前記複数のスピーカから出力される音波を合成して合成音波を生成する集音部と、
を具備し、前記複数のスピーカから評価点までの伝達特性は互いに異なり、前記複数のフィルタは、前記第１信号から前記評価点での前記合成音波の音圧を示す出力信号までの伝達特性が目標伝達特性に一致するように設計される、スピーカシステム。
【請求項２】
前記集音部は、前記合成音波を聴取者の外耳道に伝達する伝達部を含む請求項１に記載のスピーカシステム。
【請求項３】
前記集音部は、前記音波の伝達経路が合流する合流部と、前記合流部と前記伝達部とを接続し前記合流部から前記伝達部に前記合成音波を伝達するチューブと、をさらに含む、請求項２に記載のスピーカシステム。
【請求項４】
前記伝達部は、前記聴取者の前記外耳道に挿入可能な形状を有する請求項２又は３に記載のスピーカシステム。
【請求項５】
前記伝達部は、前記聴取者の耳を覆う形状を有する請求項２又は３に記載のスピーカシステム。
【請求項６】
前記伝達部は、第１部分と、前記第１部分の断面積と異なる断面積を有する取り替え可能な第２部分と、を含む請求項２又は３に記載のスピーカシステム。
【請求項７】
前記伝達部は、内部空間を有する本体部分と、前記本体部分から延びるチューブ部と、を含む請求項２又は３に記載のスピーカシステム。
【請求項８】
前記複数のスピーカと前記集音部とを接続し、前記複数のスピーカから前記集音部へ前記音波を伝達するための複数のチューブをさらに具備する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
【請求項９】
前記複数のスピーカのうちの少なくとも１つのスピーカが接続される共鳴箱と、
前記共鳴箱と前記集音部とを接続し、前記共鳴箱から前記集音部に前記音波を伝達するチューブと、をさらに具備する請求項１に記載のスピーカシステム。
【請求項１０】
前記第１信号から前記共鳴箱の共振周波数以上の周波数成分を除去して第３信号を生成するローパスフィルタと、
前記共鳴箱に接続され、前記第３信号を音波に変換する平面スピーカと、をさらに具備する請求項９に記載のスピーカシステム。
【請求項１１】
前記複数のフィルタのうちの１つのフィルタから出力される前記第２信号を音波に変換する他のスピーカと、前記１つのフィルタに対応する前記スピーカ及び前記他のスピーカが接続される共鳴箱と、前記共鳴箱と前記集音部とを接続するチューブと、をさらに具備し、
前記スピーカ及び前記他のスピーカは、前記チューブの接続位置から見て空間的に対称になるように前記共鳴箱に配置される請求項１に記載のスピーカシステム。
【請求項１２】
前記評価点は、前記聴取者の外耳道入口近傍に設定される請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
【請求項１３】
前記目標伝達特性は、特定の周波数帯域において平坦な周波数特性を有するように設定される請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のスピーカシステム。
【請求項１４】
第１信号をフィルタリングして第２信号を生成するフィルタと、
前記第２信号を音波に変換するスピーカと、
前記スピーカに接続される共鳴箱と、
前記音波を聴取者に伝達する伝達部と、
前記共鳴箱を前記伝達部に接続し、前記音波を前記伝達部に伝達するためのチューブと、
を具備し、前記フィルタの伝達特性は、前記スピーカから前記伝達部に設定される評価点までの伝達特性の近似逆特性であるスピーカシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スピーカシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ（magnetic resonance imaging）装置などの強磁場環境や空間の狭さからスピーカを配置できない場合、伝声管やチューブスピーカが用いられる。管やチューブを用いるスピーカシステムでは、入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との間の差が生じやすいという問題がある。また、管やチューブを長くすると、出力音圧が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９５６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との間の差を低減することができるスピーカシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係るスピーカシステムは、複数のフィルタ、複数のスピーカ、及び集音部を備える。複数のフィルタは、第１信号をフィルタリングして複数の第２信号を生成する。複数のスピーカは、前記複数の第２信号を音波に変換する。集音部は、前記複数のスピーカから出力される音波を合成して合成音波を生成する。前記複数のスピーカから評価点までの伝達特性は互いに異なる。前記複数のフィルタは、前記第１信号から前記評価点での前記合成音波の音圧を示す出力信号までの伝達特性が目標伝達特性に一致するように設計される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係るスピーカシステムを示す概略図。
【図２】第１の実施形態に係るスピーカシステムの一例を示す概略図。
【図３】図２に示した伝達部の一例を示す概略図。
【図４】第１の実施形態に係るスピーカシステムの他の例を示す概略図。
【図５】図４に示した伝達部の一例を示す概略図。
【図６】図４に示した伝達部の他の例を示す概略図。
【図７】第１の実施形態に係るスピーカシステムのさらに他の例を示す概略図。
【図８】図７に示した伝達部の他の例を示す概略図。
【図９】第１の実施形態に係るスピーカシステムのさらにまた他の例を示す概略図。
【図１０】図９に示した伝達部の一例を示す概略図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）はシミュレーションに使用される集音部を示す断面図及び側面図。
【図１２】第１の実施形態に係るスピーカシステムのシミュレーション結果を示す図。
【図１３】第２の実施形態に係るスピーカシステムの一例を示す概略図。
【図１４】第２の実施形態に係るスピーカシステムの他の例を示す概略図。
【図１５】第２の実施形態に係るスピーカシステムのさらに他の例を示す概略図。
【図１６】第２の実施形態に係るスピーカシステムのさらにまた他の例を示す概略図。
【図１７】第２の実施形態に係るスピーカシステムをＭＲＩ装置に適用した例を示す概略図。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）は共鳴箱におけるスピーカ位置及びチューブ接続位置の設計例を示す図。
【図１９】図１８（ａ）及び（ｂ）に示される共鳴箱における伝達関数を示す図。
【図２０】図１３に示したスピーカシステムにおける入力信号から出力信号までの伝達特性を示す図。
【図２１】（ａ）及び（ｂ）は共鳴箱におけるスピーカ位置及びチューブ接続位置の設計例を示す図。
【図２２】図１８（ａ）及び（ｂ）に示される共鳴箱における伝達関数並びに図２１（ａ）及び（ｂ）に示される共鳴箱における伝達関数ｈ１及びｈ２を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながら種々の実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【０００８】
図１を参照して実施形態に係るスピーカシステムの基本スキームについて説明する。  
図１は、実施形態に係るスピーカシステムを概略的に示している。図１に示されるスピーカシステムは、入力信号に基づいて音を発するスピーカユニット１０と、スピーカユニット１０から発せられた音を集音して聴取者に伝達する集音部２０と、を備えている。スピーカユニット１０は、Ｎ個の音波生成部１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎを含む。ここで、Ｎは１以上の整数である。各音波生成部１１は、フィルタ１２及びスピーカ１３を含む。具体的には、音波生成部１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎは、フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎ、及びスピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎをそれぞれ含む。
【０００９】
音波生成部１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎにそれぞれ与えられる信号は、スピーカユニット１０に入力される入力信号と同じである。各音波生成部１１において、フィルタ１２は入力信号をフィルタリングし、スピーカ１３はフィルタ１２から出力された信号を音波に変換する。例えば、音波生成部１１−１において、フィルタ１２−１は入力信号をフィルタリングし、スピーカ１３−１はフィルタ１２−１から出力された信号を音波に変換する。音波生成部１１−２、・・・、１１−Ｎは音波生成部１１−１と同様の動作を行う。集音部２０は、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎから発せられた音波を合成し、合成音波を聴取者の外耳道５１に導く。集音部２０は、合成音波を聴取者の外耳道５１へ伝達するために聴取者が着用する部材である伝達部２１を含む。
【００１０】
Ｎが２以上である場合、フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎは、下記式（１）を満たすように設計される。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
ここで、ｈｉはフィルタ１２−ｉの伝達特性を表し、ｇｉはスピーカ１３−ｉから評価点２９までの伝達特性を表し、Ｄは、入力信号から出力信号（すなわち、評価点２９での合成音波の音圧）までの目標の伝達特性を表す。伝達特性ｇ1、ｇ2、・・・、ｇＮは事前に測定される。評価点２９は、伝達特性ｇ1、ｇ2、・・・、ｇＮの測定のために使用する評価マイクが配置される位置に対応する。評価点２９は、例えば、集音部２０の伝達部２１内に設定される。評価点２９は、聴取者の外耳道５１の入口が位置すると想定される位置に設定するのが望ましい。さらに、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎは、伝達特性ｇ1、ｇ2、・・・、ｇＮが互いに異なるように配置される。
【００１３】
一般的に、目標伝達特性Ｄは周波数帯域全体にわたって平坦な周波数特性であることが望ましい。しかしながら、実際には、スピーカ自体の特性や空間特性を考慮して、特定の周波数帯域において平坦な周波数特性となるように目標伝達特性が設定される。例えば、音楽を再生する場合、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの周波数特性が平坦であればよく、平坦な周波数特性の帯域をそれ以上広げる必要はない。また、スピーカシステムを能動消音システムに適用する場合、一般に能動消音システムで低減しようとする騒音信号は低周波であるため、目標伝達特性は１００Ｈｚから２ｋＨｚまで平坦な特性を持つように設定すればよい。このように、目標伝達特性は状況に応じて設定される。
【００１４】
フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎの伝達特性ｈ1、ｈ2、・・・、ｈＮが式（１）を満たす場合、入力信号（ｉｎ）から出力信号（ｏｕｔ）までの伝達特性が目標伝達特性に一致する。式（１）を満たす伝達特性ｈ1、ｈ2、・・・、ｈＮを求める方法としては、例えば、ＭＩＮＴ（multiple-input/output inverse-filtering theorem）などの手法を利用することができる。フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎを設計する方法は、ＭＩＮＴを用いる方法に限らず、任意の他の方法であってもよい。
【００１５】
なお、フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎのうちのいくつかのフィルタの伝達特性をスルー特性に設定してもよい。スルー特性を有するフィルタは、入力信号をそのままスピーカに出力してもよい。
【００１６】
Ｎが１である場合、すなわち、１つのスピーカ１３−１が設けられる場合、伝達特性ｇ１の近似逆特性ｈ１を有するフィルタをフィルタ１２−１として用いる。ただし、この場合、入力信号から出力信号までの伝達特性と目標伝達特性との間にずれが生じる。
【００１７】
以上のように、実施形態に係るスピーカシステムでは、入力信号から出力信号までの伝達関数が目標伝達特性に一致するようにフィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎの伝達特性ｈ1、ｈ2、・・・、ｈＮが決定される。目標伝達特性は、所望する周波数帯域において平坦な周波数特性を有するように設定される。それにより、入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との間の差を低減することができる。
【００１８】
以下の実施形態では、各スピーカ１３から集音部２０への音波伝達にチューブを使用する例を説明する。チューブは、音波を伝達することができる中空管を指す。チューブとしては、例えば、樹脂などの可撓性材料で形成された柔軟性のあるチューブを使用することができる。チューブが非磁性体で形成される場合、ＭＲＩ装置のような強磁場環境でもスピーカシステムを使用することができる。スピーカシステムは、ＭＲＩ装置での利用では、騒音低減や被検者への音声指示及び音楽の提供などのために使用することができる。また、柔軟性のあるチューブを使用する場合、聴取者が位置する空間が狭い場合であってもスピーカシステムを適用することができる。
【００１９】
なお、図１に示されるスピーカシステムのように、各スピーカ１３から集音部２０への音波伝達は、チューブを使用しない空間伝達であってもよい。この場合、伝達部２１は、例えば、メガホンのような円錐形の部材であり得る。メガホンを伝達部２１として使用する場合、メガホンは、その狭い方の端部を聴取者の耳に向け、広い方の端部をスピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎに向けるようにして、聴取者に装着する。
【００２０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、チューブがスピーカに直接に接続されるスピーカシステムに関する。  
図２は、第１の実施形態に係るスピーカシステムの一例を概略的に示している。図２に示されるスピーカシステムでは、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎと集音部２０の伝達部２１との間にチューブ３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎが設けられている。各チューブ３１の一端はスピーカ１３に接続され、このチューブ３１の他端は伝達部２１に接続される。スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎから発せられた音波は、チューブ３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎ内をそれぞれ伝搬して伝達部２１に到達する。チューブ３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎが伝達部２１に直接に接続される場合、伝達部２１は、例えば、図３に示すようにヘッドフォンのイヤパッドのような聴取者５０の外耳を覆うイヤマフである。図３では、２つのチューブ３１−１及び３１−２がイヤマフ２１に接続される例が示されている。チューブ３１−１及び３１−２の内壁によって規定される空間（すなわち音波の伝達経路）は、イヤマフ２１の側面の孔を介して、イヤマフ２１と聴取者５０の外耳によって規定される空間と連通する。イヤマフは伝達部２１の一例であり、伝達部２１は他の形状を有する部材であってもよい。
【００２１】
図４は、第１の実施形態に係るスピーカシステムの他の例を概略的に示している。図２に示されるスピーカシステムでは、集音部２０は、伝達部２１、経路合流部２２、及び伝送チューブ２３を含む。この例では、各チューブ３１の一端はスピーカ１３に接続され、このチューブ３１の他端は経路合流部２２に接続される。スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎから出力された音波の伝達経路が経路合流部２２で合流し、これらの音波が合成される。合成音波は経路合流部２２から伝送チューブ２３を経由して伝達部２１に伝搬する。伝達部２１は合成音波を聴取者５０の外耳道５１へ伝達する。経路合流部２２を設ける場合、伝達部２１は、図５に示すように聴取者５０の耳を覆うイヤマフであってよく、図６に示すように聴取者５０の外耳道５１に挿入可能なイヤホンであってもよい。イヤホン型の伝達部２１は、イヤマフ型のものと比べて、外耳形状の影響を除外しやすく個人差の影響を低減することができる利点がある。
【００２２】
チューブ３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎを接続する経路合流部２２を設けることにより、聴取者５０が伝達部２１を着用する際にチューブ３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎが邪魔になることがない。ただし、経路合流部２２から評価点２９までの伝達特性は、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎについて同一になるため、フィルタ１２−１、１２−２、・・・、１２−Ｎの設計が難しくなる。よって、共通部分である伝送チューブ２３の長さは必要以上に長くしないことが望ましい。
【００２３】
図７は、第１の実施形態に係るスピーカシステムのさらに他の例を概略的に示している。図７に示されるスピーカシステムでは、伝達部２１は、第１部分２５、及びこの第１部分２５の断面積と異なる断面積を有する第２部分２４を含む。図８に示すように、チューブ２３が第１部分２５に接続され、第２部分２４は聴取者が装着する部分である。第２部分２４は、断面積が異なる他の第２部分と取り換え可能である。伝達部２１内部に断面積の異なる部分を設けることにより、中低周波数帯域の音量を調整することが可能となる。その結果、チューブ伝送による音圧減少を補うことができる。
【００２４】
図９は、第１の実施形態に係るスピーカシステムのさらにまた他の例を概略的に示している。図９に示されるスピーカシステムでは、伝達部２１は、内部空間を有する本体部分２７、及びこの本体部分２７に接続されるチューブ部２６を含む。図１０に示すように、装着時に本体部分２７が聴取者５０に当接し、チューブ部２６は聴取者５０が伝達部２１を装着したときにその先端部が聴取者５０の外耳道５１付近に位置するように形成されている。例えば、聴取者５０に当接する部分には、クッションなどの緩衝材（図示せず）が設けられる。この伝達部２１は、イヤマフとイヤホンの特性を合わせた形態であり、音波の伝達経路から聴取者５０の外耳を除外することができるため、個人差の影響を低減することができる。さらに、イヤホンと異なり、外耳にチューブ部２６を挿入しないため、装着違和感を抑えることができる。また、本体部分２７の内部空間で音圧を増大できるため、チューブ伝送による音圧減少を補うことが可能となる。
【００２５】
次に、図７及び図９に示される構造を組み合わせた集音部２０についてシミュレーションを実施した結果を示す。  
図１１（ａ）及び（ｂ）はシミュレーションに使用される集音部２０を示す断面図及び側面図である。この集音部２０は、図１１（ａ）に示されるように、７つの部分７１〜７７を含む。部分７１〜７７の断面形状は円である。また、図１１（ｂ）に示されるように、部分７１〜７６の断面形状は同心円である。部分７１〜７７の断面積をＳ１〜Ｓ７と表すと、Ｓ１＝Ｓ３＝Ｓ５＝Ｓ７＝０．００４ｍ×０．００４ｍ×π、Ｓ２＝０．０１ｍ×０．０１ｍ×π、Ｓ４＝０．０２ｍ×０．０２ｍ×π、Ｓ６＝０．０４ｍ×０．０４ｍ×πである。すなわち、集音部２０は断面積の異なる３つの部分７２、７４及び７６を含む。７１〜７７の長さをＬ１〜Ｌ７と表すと、Ｌ１＝Ｌ３＝Ｌ５＝０．００１ｍ、Ｌ２＝Ｌ４＝Ｌ６＝０．００３ｍ、Ｌ７＝０．００７ｍである。長さは断面と直交する方向に規定される。集音部２０は聴取者の外耳を除外した閉空間を有する。さらに、聴取者が位置する側の集音部２０の側面にはクッション２８が設けられている。
【００２６】
図１２は、図１１（ａ）に示される集音部２０を用いたシミュレーションによって得られた、入口（断面積Ｓ１及び長さＬ１のダクト入口）から出口（断面積Ｓ７及び長さＬ７のダクト出口）までの伝達特性を示している。図１２からは、およそ５００Ｈｚから２ｋＨｚまでの周波数帯域において増音効果が生じることがわかる。以上のように、図７及び図９の構成を組み合わせた集音部２０を用いる場合、中低周波数帯域の音量増加が可能となり、チューブ伝送による音圧減少を補うことが可能となる。図１１（ａ）に示す断面積Ｓ１〜Ｓ７及び長さＬ１〜Ｌ７並びに断面積が異なる部分の数は、設計パラメータであり、増音する対象となる周波数帯域に応じて設定することができる。
【００２７】
以上のように、第１の実施形態に係るスピーカシステムでは、伝達特性の異なる複数の伝達経路により音波伝達を行うので、１つの伝達経路では実現できない周波数特性の帯域を他の伝達経路で補うことができる。すなわち、入力信号から出力信号までの伝達特性が所望する周波数帯域において平坦になるように設計されたフィルタを用いることにより、入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との間の差を低減することができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、スピーカがチューブに直接接続される。第２の実施形態では、スピーカは共鳴箱を介してチューブに接続される。共鳴箱による音の共鳴現象を利用することにより、音圧を増大することができる。また、スピーカをチューブに直接に接続する場合、スピーカとチューブの接続箇所から音が漏れることがある。第２の実施形態では、共鳴箱を介してスピーカをチューブに接続することで、このような音漏れを効果的に抑えることができる。
【００２９】
図１３は、第２の実施形態に係るスピーカシステムの一例を概略的に示している。図１３に示されるスピーカシステムは、Ｍ個の共鳴箱４０−１、４０−２、・・・、４０−Ｍを備える点で図２に示されるスピーカシステムと異なる。ここで、Ｍは１以上Ｎ以下の整数である。各共鳴箱４０は、内部空間を有する密閉した箱型の部材である。スピーカ１３−１は、共鳴箱４０−１の内部空間に音波を発するように共鳴箱４０−１に固定されている。共鳴箱４０−１の側壁には孔が形成されており、この孔の部分にチューブ３１−１が取り付けられている。チューブ３１−１は共鳴箱４０−１と集音部２０の伝達部２１とを接続する。
【００３０】
スピーカ１３−２及び１３−３は、共鳴箱４０−２の内部空間に音波を発するように共鳴箱４０−２に固定されている。共鳴箱４０−２はチューブ３１−２を介して伝達部２１と接続される。さらに、スピーカ１３−Ｎは、共鳴箱４０−Ｍの内部空間に音波を発するように共鳴箱４０−Ｍに固定されている。共鳴箱４０−Ｍはチューブ３１−Ｍを介して伝達部２１と接続される。
【００３１】
図１３の例では、共鳴箱４０−１に１つのスピーカ１３−１が設けられ、共鳴箱４０−２に２つのスピーカ１３−２及び１３−３が設けられている。なお、１つの共鳴箱４０に３以上のスピーカ１３が設けられてもよい。また、各共鳴箱４０に１つのスピーカ１３が設けられてもよい。具体的には、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎは４０−１、４０−２、・・・、４０−Ｎにそれぞれ設けられる。さらに、スピーカ１３−１、１３−２、・・・、１３−Ｎのうちの少なくとも１つは、共鳴箱４０を介さずに、チューブ３１に直接に接続されていてもよい。スピーカ１３−２及び１３−３は共鳴箱４０−２の同じ壁面に配置されているが、スピーカ１３−２及び１３−３は異なる壁面に配置されていてもよい。共鳴箱４０においてスピーカ位置及びチューブ接続位置は任意の位置に設定することができる。さらに、共鳴箱４０の平均吸音率は自由に設定することができる。
【００３２】
図１４は、第２の実施形態に係るスピーカシステムの他の例を概略的に示している。図１４に示される例は、図１３に示されるスピーカシステムにおいてＮ＝１である場合に対応する。すなわち、図１４に示されるスピーカシステムは、１つの音波生成部１１を備える。音波生成部１１は、伝達特性ｈ１を有し入力信号をフィルタリングするフィルタ１２と、フィルタ１２から出力される信号を音波に変換するスピーカ１３と、を含む。伝達特性ｈ１はスピーカ１３から集音部２０における評価点２９までの伝達特性ｇ１の近似逆特性である。スピーカ１３は共鳴箱４０に固定されている。スピーカ１３から出力された音波は、共鳴箱４０内で共鳴増幅し、チューブ３１内を伝搬して集音部２０の伝達部２１に到達する。伝達部２１は到来音波を聴取者の外耳道５１に伝達する。
【００３３】
図１５は、第２の実施形態に係るスピーカシステムのさらに他の例を概略的に示している。図１５に示されるスピーカシステムでは、音波生成部１１−２は、フィルタ１２−２と２つのスピーカ１３−２Ａ及び１３−２Ｂとを含む。フィルタ１２−２から出力された信号は２つの経路に分岐され、一方がスピーカ１３−２Ａに与えられ、他方がスピーカ１３−２Ｂに与えられる。スピーカ１３−２Ａ及び１３−２Ｂは、共鳴箱４０−２におけるチューブ３１−２の接続位置から見て対称となる位置に配置される。この構成の利点は、１つのスピーカ１３を共鳴箱４０に接続する場合に比べて、チューブ３１の接続位置における音圧を増大することができることである。
【００３４】
図１６は、第２の実施形態に係るスピーカシステムのさらにまた他の例を概略的に示している。図１６に示されるスピーカシステムは、図１３に示されるスピーカシステムの構成に加えて、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６２及びスピーカ６３を含む第２の音波生成部６１を備える。スピーカ６３は、いずれかの音波生成部１１−ｉのスピーカ１３−ｉが接続される共鳴箱に接続される。図１６の例では、スピーカ６３は、スピーカ１３−Ｎとともに共鳴箱４０−Ｍに固定されている。図１６において、ｇｆはスピーカ６３から評価点２９までの伝達特性を表す。  
音波生成部６１に与えられる信号はスピーカユニット１０に入力される入力信号と同一のものである。すなわち、音波生成部６１に与えられる信号は、音波生成部１１−１、１１−２、・・・、１１−Ｎに与えられる信号と同じである。ローパスフィルタ６２は、入力信号から共鳴箱４０−Ｍの共振周波数以上の成分を除去する。スピーカ６３は、平面音波を発することができる平面スピーカであり、ローパスフィルタ６２から出力された信号を音波に変換する。
【００３５】
共鳴箱４０の一次モードを低い周波数に対して設定するためには、共鳴箱４０の大きさを大きくする必要があり、広いスペースが必要になる。平面スピーカを用いることにより、共鳴箱で音圧を上げることができない周波数帯域を補うことができる。ローパスフィルタ６２を用いる理由は、高い周波数の音波を出力するスピーカ１３−Ｎと干渉させないためである。
【００３６】
なお、共鳴箱４０を設ける場合にも、集音部２０の構造として第１の実施形態で説明した構造の１以上を適用してもよいことに注意されたい。
【００３７】
以上のように、第２の実施形態に係るスピーカシステムでは、共鳴箱を介してスピーカをチューブに接続することにより、音圧を増大することができる。
【００３８】
上述した実施形態の少なくとも１つに係るスピーカシステムでは、入力信号から出力信号までの伝達特性が目標伝達特性に一致するように設計されたフィルタを用いることにより、入力信号の周波数特性と出力信号の周波数特性との間の差を低減することができる。上述した実施形態の少なくとも１つに係るスピーカシステムは、例えば、ＭＲＩ装置などに適用することができる。図１７は、第２の実施形態に係るスピーカシステムをＭＲＩ装置に適用した例を示している。ＭＲＩ装置のボア８１内に被検体（聴取者）５０が配置される。共鳴箱４０−１及び４０−２、チューブ３１−１及び３１−２、経路合流部２２、伝送チューブ２３、並びに、伝達部２１は非磁性体で形成することができる。これらの要素を強磁場環境であるＭＲＩ装置周辺８０内に配置することで、スピーカシステムをＭＲＩ装置に適用することができる。
【００３９】
直方体の共鳴箱内に音源及び受音点が存在する場合、音圧の伝達特性Ｐは下記式（２）となる。
【００４０】
【数２】
2015179118.tif 000004
【００４１】
ここで、ｌｘ、ｌｙ、Ｌｚは箱の寸法であり、φｎはモード関数を表し、ωｎｘ、ωｎｙ、ωｎｚは固有角周波数を表す。βは、残響時間によって決まる定数であり、本実施形態では平均吸音率を変えることにより値を変えることができる。εｎはモーダルマスと呼ばれる値である。ｘ１は音源の位置（ｘａ，ｙａ，ｚａ）であり、ｘ２は受音点の位置（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）である。ρは密度であり、ｃは音速であるｎｘ、ｎｙ、ｎｚは整数であり、これらの組み合わせをｎと表す。受音点はチューブ３１の接続位置に対応する。
【００４２】
式（３）によれば、例えば、音源の位置ｘ１が（ｌｘ／３，ｌｙ／３，ｌｚ／３）である場合、式（４）の固有角周波数は全て励起される。これは、ｎは整数なのでｃｏｓ（πｎ／３）がゼロになることはないからである。一方、音源の位置ｘ１が（ｌｘ／２，ｌｙ／３，ｌｚ／３）である場合、ｎｘ＝１，３，５，・・・ではcosｃｏｓ（πｎｘ／２）がゼロとなり、すなわち、φｎ＝０となり、式（４）の固有角周波数において励起されないモードが生じる。また、音源の位置ｘ１が（０，０，０）や（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）などの箱の四隅である場合、全てのモードがモード関数の最大値１で励起される。
【００４３】
共鳴箱の共鳴モードをすべて利用する、すなわち、すべての固有角周波数を励起する方が音圧増加に効果的である。このことを以下に説明する。図１８（ａ）及び（ｂ）に示される２つの箱を用いて、第２の実施形態に係る共鳴箱４０による音圧増大の効果を説明する。
【００４４】
図１８（ａ）に示される箱１の寸法は0.21m×0.24m×0.33mであり、スピーカ位置ｘ１は（0.14, 0.23999, 0.11）であり、チューブ位置ｘ２は（0.00001, 0.23999, 0.32999）である。同様に、図１８（ｂ）に示される箱２の寸法は0.141m×0.165m×0.51mであり、スピーカ位置ｘ１は（0.094, 0.16499, 0.17）であり、チューブ接続位置ｘ２は、（0.00001, 0.16499, 0.50999）である。ここでいうスピーカ位置とは、スピーカコーンの位置を指す。まず、箱１及び箱２の寸法は、式（４）の固有角周波数を考慮し、逆数がおおよそ２，３，４，５，６，７となる値を割り振った。このようにすると各辺による固有周波数への影響がそれぞれ変わり、結果的に固有角周波数の数を増やすことができる。また、完全な逆数ではなくスピーカを辺の１／３の位置に置くことを考慮し３の倍数としている。スピーカ位置もチューブ接続位置も本来ならば、箱の四隅がモード励起の観点からは望ましいが、出力音圧が高いスピーカは通常ボックスタイプのため上記のように面にスピーカを取り付ける配置としている。つまり、面上の（辺の１／３倍、辺の１／３倍)の位置にスピーカコーンの位置を設定している。0.00001や0.50999などは面に接していることを意味している。実際の実現では、箱１及び２をスピーカの大きさ分だけ出張らせる必要がある配置ではあるが、実現可能な配置である。音量をさほど考慮しない場合は、小型スピーカで済むため四隅のいずれかにスピーカを設置することも考えられる。チューブはフレキシブルであり場所をとらないため、チューブ接続位置を四隅の１つに設定している。以上まとめると本設定は、スピーカを箱の四隅のいずれかに設置した場合よりはモードの励起度合は低いが、全モードを励起する配置になっており、箱１及び２の励起するモードも異なるため、箱１と箱２を組み合わせることで全体としてモード密度が高くなる。
【００４５】
図１９は、箱１における音源（すなわちスピーカ位置）から受音点（すなわちチューブ接続位置）までの伝達特性ｇ１（実線で示される）、及び箱２における音源から受音点までの伝達特性ｇ２（破線で示される）を示している。伝達特性ｇ１及びｇ２を比較すると、共振周波数、特にノッチが生じる周波数が互いにずれている。すなわち、図１９からは、図１８（ａ）及び（ｂ）に示される構造を組み合わせて用いることで、入力から出力までの伝達特性を望ましい特性にできることがわかる。また、共鳴を積極的に利用しているため音圧も上げることができる構成となっている。
【００４６】
図２０は、図１３に示されるスピーカシステムにおける入力信号（ｉｎ）から出力信号（ｏｕｔ）までの伝達特性を示している。図２０からは、目標伝達特性とおおよそ類似する伝達特性を実現できていることがわかる。なお、この検証では、チューブと集音部の伝達特性は考慮していない。チューブ特性がある場合においても共鳴箱の特性が異なるため本実施形態はチューブ特性をうまく補うことができる。
【００４７】
図１８（ａ）及び（ｂ）を参照して増音効果について説明する。図２１（ａ）に示される箱１の寸法は図１８（ａ）に示される箱１の寸法と同じであり、図２１（ｂ）に示される箱２の寸法は図１８（ｂ）に示される箱２の寸法と同じである。図２１（ａ）の箱１では、スピーカ位置を（0.11, 0.23999, 0.165）、チューブ接続位置を（0.11, 0.12,0.165）とし、図２１（ｂ）の箱２では、スピーカ位置を（0.07, 0.16499, 0.25）、チューブ接続位置を（0.07, 0.083,0.255）とする。この配置は辺の半分の配置のため励起されないモードが存在する配置である。図１８（ａ）及び（ｂ）並びに図２１（ａ）及び（ｂ）に関してフィルタｈ１、ｈ２を設計し、ｈ１、ｈ２の周波数特性を比較したものを図２２に示す。図２２において、実線が図１８（ａ）の箱１の伝達特性ｈ１を示し、点線が図１８（ｂ）の箱２の伝達特性ｈ２を示し、破線が図２１（ａ）の箱１の伝達特性ｈ１を示し、一点鎖線が図２１（ｂ）の箱２の伝達特性ｈ２を示す。図２２からは、図２１（ａ）の箱１の伝達特性ｈ１及び図２１（ｂ）の箱２の伝達特性ｈ２のゲインがおおよそ図１８（ａ）の箱１の伝達特性ｈ１及び図１８（ｂ）の箱２の伝達特性ｈ２のゲインより高いことがわかる。フィルタｈ１、ｈ２のゲインが高いことが意味することは、同じ信号入力（ｉｎ）を加えてもスピーカに入力される電圧が高いことを意味する。つまり、フィルタのゲインが高いとより早くスピーカの入力電圧制限にかかる。つまり図２１（ａ）及び（ｂ）の設定の場合、図１８（ａ）及び（ｂ）の設定に比べ信号入力（ｉｎ）を高くしていくとスピーカ限界に先に到達する。要するに図１８（ａ）及び（ｂ）の設定の方が信号入力を高くできるため、出力端（ｏｕｔ）での音圧を上げることができる。以上のように図１８（ａ）及び（ｂ）の設定のように的確に共鳴箱の共鳴を利用すれば音圧増加が見込めることがいえる。
【００４８】
以上のシミュレーション結果から、共鳴箱、スピーカ位置、及びチューブ接続位置を適切に設計することにより、入出力関係を良好なものとし、高い音圧を出力可能なスピーカシステムを実現可能なことがわかる。なお、ここで示した共鳴箱の設計パターンは例示であり、これ以外の設計パターンを適用してもよい。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１０…スピーカユニット、１１…音波生成部、１２…フィルタ、１３…スピーカ、２０…集音部、２１…伝達部、２２…経路合流部、２３…チューブ、２６…チューブ部、２７…本体部分、２８…クッション、２９…評価点、３１…チューブ、４０…共鳴箱、５０…聴取者、５１…外耳道、６１…音波発生部、６２…ローパスフィルタ、６３…スピーカ。
【図１】
2015179118.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２０】
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