(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響容積部分と、
一端が外部に開放し、他端が前記音響容積部分に取り付けられた音響管と、
前記音響容積部分の外部に配置され、前記音響容積部分内に開放するように前記音響容積部分に取り付けられた駆動用スピーカと、を備え、
前記音響管自身の共振周波数は、前記音響容積部分と前記音響管とによるヘルムホルツの共振周波数より０．５〜２．５オクターブ高い周波数であることを特徴とするスピーカ装置。
【請求項２】
前記ヘルムホルツの共振周波数は所定の低域周波数であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項３】
前記ヘルムホルツの共振周波数は５０Ｈｚ〜５５Ｈｚの範囲内であり、前記音響管の共振周波数は１６０Ｈｚ〜１８０Ｈｚの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項４】
前記駆動用スピーカとオーディオソースとの間に設けられ、リアクタンス及び／又はキャパシタンスを含むフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスピーカ装置。
【請求項５】
前記フィルタ回路は、前記ヘルムホルツの共振周波数と前記音響管の共振周波数の間の周波数帯域において、前記駆動用スピーカのスピーカ端子側から見た電気インピーダンスのリアクタンス分と電気的共振を生じさせ、音圧レベルを上昇させることを特徴とする請求項４に記載のスピーカ装置。
【請求項６】
前記フィルタ回路は、前記ヘルムホルツの共振周波数と前記音響管の共振周波数の間の周波数帯域の音圧レベルが所定値より低い領域において、前記駆動用スピーカのスピーカ端子側から見た電気インピーダンスのリアクタンス分と電気的共振を生じさせ、音圧レベルを上昇させることを特徴とする請求項４に記載のスピーカ装置。
【請求項７】
前記フィルタ回路は、前記音響管の共振周波数より高い周波数の信号を減衰させる特性を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載のスピーカ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピーカ装置に関し、特に小型ながら低音再生能力に優れたスピーカ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低音域の周波数特性を比較的平坦な周波数特性で再生するための低音再生用スピーカ装置の例が特開平５−４１８９６号公報、特開平６−３８２９０号公報及び特開２００１−１６６７３などに記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、そのようなポートを有するスピーカ装置（いわゆるバスレフ形式やケルトン形式など）においては、ポートの管共振を積極的に利用しようとすると、ポートが短く管共振周波数は高いため、ポート内空気の質量とキャビネット内のコンプライアンスとで起こるヘルムホルツの共振周波数とかなり離れてしまい、これら２つの共振をつないで実用的な低音再生帯域を得ようとすることが困難である。
【０００４】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、小型ながら、所望の低音域の信号を可能な限り平坦な周波数特性で再生することが可能なスピーカ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点では、スピーカ装置は、音響容積部分と、一端が外部に開放し、他端が前記音響容積部分に取り付けられた音響管と、前記音響容積部分の外部に配置され、前記音響容積部分内に開放するように前記音響容積部分に取り付けられた駆動用スピーカと、を備え、前記音響管自身の共振周波数は、前記音響容積部分と前記音響管とによるヘルムホルツの共振周波数より０．５〜２．５オクターブ高い周波数とする。
【０００６】
上記のスピーカ装置は、所定容積の音響容積部分に対して、音響管と駆動用スピーカとが取り付けられて構成される。音響容積部分と音響管とはヘルムホルツの共鳴器を構成し、所定のヘルムホルツの共振周波数において共振する。一方、音響管自体も共振周波数を有する。ここで、音響管自体の共振周波数を、ヘルムホルツの共振周波数より０．５〜２．５オクターブ高い周波数とすることにより、ヘルムホルツの共振周波数から音響管の共振周波数までの連続的な帯域の信号を放出するスピーカ装置を得ることができる。音響管の共振周波数の調整は、例えば音響管自身の長さを調整することにより行うことができる。
【０００７】
上記のスピーカ装置において、前記ヘルムホルツの共振周波数は所定の低域周波数とすることができる。１つの好適な実施形態では、前記ヘルムホルツの共振周波数を５０Ｈｚ〜５５Ｈｚの範囲内とし、前記音響管の共振周波数を１６０Ｈｚ〜１８０Ｈｚの範囲内とすることができる。これにより、約５０Ｈｚ〜約２００Ｈｚ付近の帯域で音響信号を出力する低音スピーカを構成することができる。
【０００８】
上記のスピーカ装置の一態様では、前記駆動用スピーカとオーディオソースとの間に設けられ、リアクタンス及び／又はキャパシタンスを含むフィルタ回路をさらに備えることができる。この態様によれば、フィルタ回路の特性を適切に設定することにより、ヘルムホルツの共振周波数と音響管の共振周波数との間の周波数特性を平坦化してより好ましい特性のスピーカ装置を得ることができる。
【０００９】
その場合、前記フィルタ回路は、前記ヘルムホルツの共振周波数と前記音響管の共振周波数の間の周波数帯域において、前記駆動用スピーカのスピーカ端子側から見た電気インピーダンスのリアクタンス分と電気的共振を生じさせ、音圧レベルを上昇させるようにしてもよい。また、前記フィルタ回路は、前記ヘルムホルツの共振周波数と前記音響管の共振周波数の間の周波数帯域の音圧レベルが所定値より低い領域において、前記駆動用スピーカのスピーカ端子側から見た電気インピーダンスのリアクタンス分と電気的共振を生じさせ、音圧レベルを上昇させるようにしてもよい。
【００１０】
さらに、前記フィルタ回路は、前記音響管の共振周波数より高い周波数の信号を減衰させる特性を有するようにしてもよい。これにより、音響管の共振周波数より高い、不要な周波数帯域の信号を減衰させて、所望の周波数帯域のみを出力するスピーカ装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態にかかるスピーカ装置の構成を模式的に示す。図示のように、本発明のスピーカ装置１は、低域再生用のスピーカ装置であり、約５０Ｈｚ〜２００Ｈｚ付近の周波数帯域でできる限り平坦な周波数特性が得られるように構成される。
【００１３】
図示のように、スピーカ装置１は、駆動用スピーカ２と、音響容積部分３と、音響管４を備える。このスピーカ装置１では、音響容積部分３と音響管４とによりヘルムホルツの共鳴器を構成している。これにより、スピーカ装置１は、音響容積部分３及び音響管４により構成されるヘルムホルツ共鳴器としての共振周波数と、音響管４自身による共振周波数の２つの周波数で共振を生じる。図１に示すように、音響管４の断面積をＳ、音響容積部分３の音響容積をＢ、音響管４の長さをＬ、音速をＣとすると、スピーカ装置１によるヘルムホルツの共振周波数ｆ０及び音響管４の共振周波数ｆは、それぞれ
【００１４】
【数１】
0003914449.tif 000002
【００１５】
のように得られる。なお、音響管４の共振周波数は、音響管４の両端開放の場合と片側開放の場合とで異なる。
【００１６】
駆動用スピーカ２には、図示しない電気的フィルタを介して電気信号が供給される。この電気的フィルタは、低域再生用スピーカとして機能するために、不要な高域成分を減衰させるものである（以下、このフィルタを「高域減衰フィルタ」とも呼ぶ）。
【００１７】
図２に、スピーカ装置１の音圧周波数特性及び電気インピーダンス特性を示す。特性５０は音圧周波数特性であり、横軸の値は周波数を示し、縦軸（左側）の値は音圧レベルを示す。一方、特性６０は上述した高域減衰フィルタの電気インピーダンス特性であり、横軸の値は周波数を示し、縦軸（右側）の値はインピーダンス値を示す。なお、インピーダンス値は、グラフ上の縦軸の下方へ向かって値が増加するように示してある。
【００１８】
図２において、低い周波数から高い周波数に向かって音圧周波数特性５０の約５０〜５５Ｈｚ付近の山５０ａは、ヘルムホルツの共振によるものであり、具体的には音響容積Ｂのコンプライアンスと音響管４内の空気質量との共振周波数である。この例では、５０〜５５Ｈｚで起きている。駆動用スピーカ４により音響容積Ｂ内の空気を振動させると、ヘルムホルツの共振周波数で音響管４の開口端から最も高い音圧で放音がなされる。
【００１９】
一方、音圧周波数特性５０の１６０Ｈｚ〜１８０Ｈｚ付近にある山５０ｂは音響管４自身の共振によるものであり、具体的には先に述べた両端開放時の共振周波数と片端開放時の共振周波数の間の周波数で起きたものである。図１に示すように、音響管４の右側には音響容積Ｂが存在するため、音響管４の共振周波数は、両端開放時と片端解放時の間に起きることになる。
【００２０】
このように、ヘルムホルツの共振周波数（例えば５０Ｈｚ）に対して、その０．５〜２．５オクターブ上の範囲内に音響管の共振周波数が位置するようにスピーカ装置１を構成することにより、所望の低音域（例えば５０Ｈｚ〜２００Ｈｚ）において音圧レベルが連続する周波数特性を得ることができる。
【００２１】
以上のようなスピーカ装置１の動作を、図３を参照して周波数別に説明する。
【００２２】
図３（ａ）は、ヘルムホルツの共振周波数以下での音響管内の状態を示す。音響管４内の空気は駆動用スピーカ２の振動板とほぼ同位相で動くが、駆動用スピーカ２の支持系のコンプライアンスで制御されるため音圧は低くなる。図１における約４０Ｈｚと５０Ｈｚの間には、スピーカ振動系の重さに音響管４内の空気の重さを加えた質量と、駆動用スピーカ２のコンプライアンスによる共振が生じており、インピーダンス特性６０には山６０ａができている（図１ではインピーダンス値は下方に向かって高くなるように示されている）。
【００２３】
図３（ｂ）はヘルムホルツの共振周波数での音響管内の状態を示す。音響管４内の空気は音響容積Ｂのコンプライアンスをバネにして振動板と逆位相でドライブされる。図１における音圧周波数特性５０において、５０Ｈｚと６０Ｈｚとの間にヘルムホルツの共振の山５０ａが生じている。
【００２４】
図３（ｃ）はヘルムホルツの共振周波数以上での音響管内の状態を示す。音響管４内の空気の質量を音響容積Ｂのコンプライアンスにより駆動できなくなるため、音圧レベルは低い値となる。この場合、音響管４内の空気はあまり動けず、駆動用スピーカ２の振動系の重さと、駆動用スピーカ２のコンプライアンスに音響容積Ｂのコンプライアンスを加えた共振となり、インピーダンス特性６０には１００Ｈと１５０Ｈｚの間に山６０ｃができる。
【００２５】
図３（ｄ）〜（ｆ）は、音響管４自身の共振周波数１６０Ｈｚ〜１８０Ｈｚ付近における状態を示し、図３（ｄ）は音響管４の片端開放の場合の共振の第１調波、図３（ｅ）は片端開放の場合の共振の第３調波、図３（ｆ）は両端開放の場合の共振の第１調波を示す。これらにより、１６０Ｈｚ〜１８０Ｈｚ付近に、音響管４自身による共振が生じ、音圧周波数特性５０に山５０ｂが生じている。
【００２６】
以上のように、音響容積部分３及び音響管４によるヘルムホルツの共振（５０〜６０Ｈｚ付近にピークを有する）と、音響管４自身による共振（１６０〜１８０Ｈｚ付近にピークを有する）により、所望の低音域５０〜２００Ｈｚ付近において音圧レベルが高い周波数特性を得ることができ、スピーカ装置１を低域用スピーカとして利用することができる。なお、図１に示す音圧周波数特性において、２００Ｈｚ以上の帯域は前述の高域減衰フィルタにより減衰させることができる。
【００２７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態によるスピーカ装置について説明する。第１実施形態によるスピーカ装置を５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの低音再生用スピーカとして使用することができるが、図１の音圧周波数特性に示すように、１００Ｈｚ付近を中心として音圧レベルを上昇させると、より平坦な周波数特性を有する低音再生用スピーカを得ることができる。
【００２８】
図１に示すインピーダンス特性６０を見ると分かるように、１００Ｈｚ付近のインピーダンス特性の山６０ｃにおいては電気インピーダンス値はかなり高くなっており、その分音圧レベルが低くなっている。前述のように、スピーカ装置を低音専用スピーカとして用いるためには高域減衰フィルタを駆動用スピーカ２に接続することが必要となるので、このフィルタの素子値を調整して、１００Ｈｚ付近の電気インピーダンスを減少させるようにフィルタを構成することができる。これにより、１００Ｈｚ付近のリアクタンス分と電気的共振を起こさせて１００Ｈｚ付近の音圧レベルを上昇させればよい。なお、そのフィルタは同時に不要な高域を減衰させるように構成する。
【００２９】
図４にそのようなフィルタを適用した、第２実施形態によるスピーカ装置１０の概略構成を示す。第２実施形態のスピーカ装置１０は、駆動用スピーカ２に対して前述のフィルタを電気回路として挿入している他は図１に示す第１実施形態のスピーカ装置１と同様の構成を有する。図４（ａ）は駆動用スピーカ２に接続された電気回路にインダクターＬを挿入した例であり、図４（ｂ）は駆動用スピーカ２に接続された電気回路にインダクターＬとキャパシタＣを挿入した例である。
【００３０】
図４（ｂ）に示す構成で、インダクターＬ＝６ｍＨ、キャパシタＣ＝３３０μＦとした場合のスピーカ装置１０の音圧周波数特性５５及びインピーダンス特性６５を示す。図４（ｂ）示すようにインダクターＬ及びキャパシタＣによる共振回路を挿入したことにより、１００Ｈｚ付近におけるインピーダンス値が減少しており、その分音圧周波数特性における谷が無くなっている。その結果、５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの帯域で、より平坦な周波数特性が得られている。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示す構成のスピーカ装置１０におけるインダクターＬ及びキャパシタＣの値について、等価回路を利用して検討する。以下の検討は、図５に例示するインピーダンス特性及び音圧周波数特性を与えるものであり、５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの低音域内に電気的な２つの共振を作っている。１つは図５に示すインピーダンス特性６５の低域側の山６５ｂであり、これに対応して図５に示す音圧周波数特性５５に谷５５ｂができている。また、もう１つは同特性６５の高域側の谷６５ａであり、これに対応して音圧周波数特性５５には山５５ａができている。
【００３２】
図６（ａ）にスピーカ装置１０の等価回路を示す。なお、等価回路上の各量は図６（ａ）に示すように定義されているものとする。まず、図６（ａ）における機械回路を電気回路に変換する。図２に示すインピーダンス特性の山６０ｃ付近での機械回路の部分は、音響管内の空気の振動は低減し、振動系の質量によるコンデンサＣと、駆動用スピーカ２のコンプライアンスに音響容量Ｂのコンプライアンスを加えた合計のコンプライアンスによるインダクタンスＬ０との共振が起きる。スピーカ装置の低域での電気インピーダンスＺｅを機械インピーダンスＺｍを用いて表すと、
【００３３】
【数２】
0003914449.tif 000003
【００３４】
となる。図１におけるインピーダンス特性６０の山６０ｃ付近では、機械抵抗は省略し、
【００３５】
【数３】
0003914449.tif 000004
【００３６】
となる。このＺｅから、ωｍ０＝１／ωＣのときに機械的な共振が起き、機械インピーダンスは最小となり、電気インピーダンスは最大となる。駆動用スピーカのボイスコイルの直流抵抗を省略した電気インピーダンスＺｅの式、
【００３７】
【数４】
0003914449.tif 000005
【００３８】
から、機械的な共振角周波数は、
【００３９】
【数５】
0003914449.tif 000006
【００４０】
となる。電気インピーダンスとしては、共振点でインピーダンスが最大となる図６（ｂ）に示す並列回路となる。図１のインピーダンス特性６０の山６０ｃがこれに対応する。しかし、音響管内の空気の振動は小さいので、音響管の開口の音圧は低い。図６（ｂ）の等価電気回路に高域減衰を兼ねたフィルタ用電気素子を入れると、図６（ｃ）に示すようになる。
【００４１】
ヘルムホルツの共振周波数と音響管の共振周波数との音圧を上げるために、駆動用スピーカ側の等価素子でできるリアクタンスと電気素子との電気回路で共振を起こさせる。共振周波数のみを求めるために抵抗を省略すると、図６（ｄ）の等価回路が得られる。これに基づいて、電気回路の共振周波数を求めるため、電気インピーダンスを求める。電気インピーダンスＺｅは、
【００４２】
【数６】
0003914449.tif 000007
【００４３】
で与えられる。共振（直列）はインピーダンスが最小になる点であるので、上式の分子の｛  ｝内がゼロとなることが条件になる。即ち、
【００４４】
【数７】
0003914449.tif 000008
【００４５】
であり、共振周波数ｆは、
【００４６】
【数８】
0003914449.tif 000009
【００４７】
となる。これが図５に示すインピーダンス特性６５の１２０Ｈｚ付近の谷６５ａに対応する。
【００４８】
また、もう一方の共振（並列）はインピーダンスが最大になる点であるので、Ｚｅの式の分母がゼロになる点であり、
【００４９】
【数９】
0003914449.tif 000010
【００５０】
が条件となる。よって、共振周波数は、
【００５１】
【数１０】
0003914449.tif 000011
【００５２】
で求められる。これが図５に示すインピーダンス特性６５の７０Ｈｚ付近の山６５ｂに対応する。
【００５３】
［スピーカの適用例］
以上のように、本発明のスピーカ装置は、通常のバスレフ形式に比べて細く長めの音響管と小さめの音響容積で構成できるため、小型ながら所望の低音域において平坦な周波数特性を有し、低域再生用スピーカとして使用することができる。
【００５４】
この点、図１及び図４においては説明の便宜上、音響管４を直線的に図示しているが、実際の構造上は音響管４の部分を例えばＵ字又はＳ字形状などに湾曲させて、音響出力方向の省スペース化を図ることができる。この様子を図７に示す。図７（ａ）に示すバスレフ形式のスピーカは、ポートは短いものの、大きな音響容積を必要とする。これに対し、本願のスピーカは、図７（ｂ）に示すように、細めで長めの音響管をＵ字又はＳ字形状などに湾曲させて、小さな音響容積と接続する。これにより、バスレフ形式のもよりも全体として小さなサイズで、同じヘルムホルツの共振周波数を得ることができる。
【００５５】
よって、このような低音再生用スピーカは、用途として例えば車載用スピーカ、家庭用スピーカ、テレビジョン用スピーカ、壁掛け用スピーカ、パソコン用スピーカなどに好適に適用することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型ながら所望の低音域の信号を可能な限り平坦な周波数特性で再生することが可能なスピーカ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるスピーカ装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態にかかるスピーカ装置のインピーダンス特性及び音圧周波数特性例を示すグラフである。
【図３】第１実施形態にかかるスピーカ装置の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかるスピーカ装置の構成を模式的に示す図である。
【図５】第２実施形態にかかるスピーカ装置のインピーダンス特性及び音圧周波数特性例を示すグラフである。
【図６】第２実施形態における実施例の等価回路を示す。
【図７】従来のバスレフ形式のスピーカと本発明のスピーカとの構造を比較する図である。
【符号の説明】
１、１０  スピーカ装置
２  駆動用スピーカ
３  音響容積部分
４  音響管
【図１】
0003914449.tif 000012
【図２】
0003914449.tif 000013
【図３】
0003914449.tif 000014
【図４】
0003914449.tif 000015
【図５】
0003914449.tif 000016
【図６】
0003914449.tif 000017
【図７】
0003914449.tif 000018