JP5113471B2 - スピーカシステム - Google Patents

Description

本発明はスピーカシステム或いはスピーカシステムを備える機器に関する。
また特に、スピーカに導波管を取付け、導波管開口面を、平面に対してほぼ直角になるように、平面に取付けたスピーカシステム及びそれを備えた機器に関する。

スピーカは振動板の振動によって音波を発生するので、振動板前面に生じる振動と、背面に生じる振動は位相が１８０度ずれている。従って良好な周波数特性と、効率を得るためには背面に生じた振動が、前面に生じた振動と干渉しないようにする必要があり、基本的構造として背面に密閉空間、或いはほぼ密閉された空間が必要である。

またテレビ受像機の前面パネルのように、スピーカの取付面積を十分に確保できないような機器においては、スピーカ本体をテレビ受像機キャビネットの後背部空間に置くことによって、密閉或いは半密閉空間を確保するとともに、振動板前面に発生した音波を、導波管でテレビ受像機前面パネルに導く手法が取られている。

例えば特許第３４４９５７１号公報では、図５において、テレビ受像機キャビネットの後方空間にスピーカを設置し、導波管で音をテレビ受像機前面パネルに導く例が紹介されている。
また同特許図６では、図５の装置においてスピーカをバックキャビネット（密閉箱）に取付けた例が紹介されている。
更に同特許図１乃至４においては、スピーカの振動板背面音を反射部材によって斜め前方に放射し、振動板前面音と背面音の干渉を防ぐようにしたテレビ受像機が紹介されている。
特許第３４４９５７１号公報

本発明はスピーカの音を導波管によって導くようにしたスピーカシステム及びそれを備えた機器に関するものであるが、このようなシステムでは次のような課題が発生する。
ア．機器に対面した聴者が、音源としてもっとも自然に感じる位置に、導波管開口を聴者側に向けて設けなくてはならない。
イ．導波管開口面とスピーカ振動板はほぼ平行になるように配置しなくてはならないので、スピーカの取付位置と導波管の開口部の位置に制約を受ける。
ウ．薄い奥行きの機器には適用が難しい。特にＬＣＤを用いた薄型テレビなどには適用が難しい。
エ．導波管の開口面（端部）から管内に向かって、音波の反射現象（管共振）が発生し、周波数特性を阻害する。

本発明においては、スピーカを密閉或いは半密閉のキャビネット内に納め、スピーカの音を、キャビネットのスピーカ開口から導波管によって平板、或いは平面状の機器前面に導くようにする。そして導波管の開口面の一辺を平板或いは機器前面の平らな面に接するように取付け、その位置が聴者にとってあたかも実際の音源があるかのような感覚を与えるようにしたスピーカシステムを提案し、前記課題を解決しようとするものである。

本発明のスピーカシステムは、奥行きを必要とせず、前面に音を放射する機器に装着する場合でも、設計時にスピーカの取付位置や取付容積の制約を受けずに済み、更に機器前面にスピーカ開口を設ける必要もなくなるので、機器の小型化やデザインの自由度が著しく改善する。特に薄型の機器に実施して好適な結果が得られる。

図５ａ，ｂは、本発明の基本的な概念を説明するための模式図である。図５aにおいて、Ｔは断面が矩形の導波管で、開口部を上面から見た図である。導波管Ｔの奥には、スピーカ（図示せず）があり、スピーカの開口を導波管の反対側の開口で覆うようになっている。スピーカの音は導波管Ｔで導かれ、開口部で放射される。放射された音波は、開口と同一平面上では、実線Ｗで示すように周囲に波絞状に拡散される。次に図５ｂで示すように、導波管Ｔの開口を構成する矩形の辺の一辺Ｓを、平面Ｐに密着させると、平面Ｐ側に拡散するはずの音波Ｗは、平面Ｐによって遮られ、平面Ｐとは反対側に反射され、点線Ｒで表わされる反射波を発生する。すると導波管Ｔの、平面Ｐと接している辺Ｓの反対側には二つの波ＷとＲが相乗された音波が発生する。従って平面Ｐに向かって対面している聴者Ｍは、平面Ｐ上の、平面と導波管開口部が接する場所付近に、あたかも真の音源があるかのように感ずることができる。（以下単に「音源」という）

導波管開口部から聴者Ｍ側に直接伝わる直接波Ｗと、平面Ｐに反射して伝わる反射波Ｒの位相が、波長の１／２ずれると、干渉による打ち消しが起きるので、導波管の厚さＨや、その形状は、要求される再生周波数帯によって慎重に検討されなくてはならない。例えば７ＫＨｚを再生しようとする場合、音速を約３４０メートル／秒とすると、１波長は約５ｃｍとなるので厚さＨは約２．５ｃｍで打ち消しが起こる。従って一般的な機器において厚さＨは２．５ｃｍ以下にすることが望ましいことになる。

ところで導波管はスピーカの音源の音を効率よく開口端に導くことを可能にするが、管内部と開口端で音響インピーダンスが極端に変化するため、開口端において音波の反射現象が発生する。そのため進行波と反射（後退）波が重畳し、管共振と呼ばれる固有音の増強が起こり著しく周波数特性を損なうことが知られている。

図６は管共振を防止するための手段を示す。
図６において６１は導波管で、その開口部６２は、厚さ１．０ｍｍ程度の空気透過性を有する織布で作られた空気流抵抗素子６３で、塞ぐように覆われている。この空気流抵抗素子６３によって導波管開口部における音響インピーダンスの急激な変化を緩和し、管共振を低減することができる。空気流抵抗素子６３は、平面状、帽状などの形状が考えられ、必ずしも開口部６２の全面を覆う必要はなく、例えば側面が開放された、かまぼこ状の形状でも良い。
空気流抵抗素子６３は、管共振の低減以外にも、導波管開口部から、ごみ、ほこり等の侵入を防ぐ作用がある

図７ａ，ｂ，ｃは、図５に示す原理のスピーカの動作を説明するため、周波数特性を測定したグラフである。グラフにおいて縦軸は出力をデシベル（ｄＢ）で、横軸は周波数をヘルツ（Ｈｚ）で表わしている。
図７ａはスピーカが出力した音の周波数特性を、導波管の無い状態でスピーカ軸上１５ｃｍの距離で測定したグラフである。すなわちスピーカの原音である。
図７ｂはこのスピーカに長さ８０ｃｍの導波管を取付け、導波管開口と同一平面で、開口中心から１５ｃｍの距離で周波数特性を測定したグラフである。
図７ｃは導波管開口の一辺Ｓを平面Ｐに密着させた上で、導波管開口と同一平面上で、開口中心から１５ｃｍの距離で周波数特性を測定したグラフである。
なお図７ｂの場合も、図７ｃの場合も導波管の開口部には、前記空気流抵抗素子６３を取付けた状態で測定したものである。

図７ｂのグラフに示された出力は、図７ａの原音に比し、全周波数帯域で出力が１０乃至２０ｄＢ低下している。特に７ＫＨｚ付近以上の高い周波数での減衰が著しいことが分かる。
一方図７ｃのグラフに示された出力は、７ＫＨｚ以上での減衰は図７ｂの場合と同様に避けられないが、その他の帯域では、図７ｂの場合より平均５ｄＢ程度の能率が改善されていることが分かる。また、全周波数帯域で、管共振特有の出力の変動が生じていないことを示している。

この実験結果は、導波管開口部の面を構成する一辺を、開口面が平面とほぼ直交するように平面に密着させると、平面による反射によって平面と直角方向に音の増強が起こり、その周波数特性は、一般的な音響機器に要求される音域をカバーしていることを示している。すなわち開口が構成する面と水平の方向から、平面に向かって対面している聴者Ｍは、開口面付近に音源があるように感ずるに足る、十分な音圧を受けることができる。

導波管開口から直接放散される音と、平面によって反射された音の合成音は、平面側を除く全方向に放散されることは当然である。そこで図５ｂに示すようなモデルにおいて、各方向へ放散される音の分布について検証した。図８は図５ｂに示すモデルを立体的に表わした斜視図である。図８において、図５と同一部分には同一の符号を付している。導波管Ｔの開口において、平面Ｐと接している辺Ｓの長さは６ｃｍで、厚さＨは１．５ｃｍである。また平面Ｐは、縦４０ｃｍ，横２５ｃｍ，厚み１ｍｍの硬質プラスチック製の板である。

図８に示す装置を使用し、導波管開口面と垂直方向を０度とし、平板Ｐと平行な面（角度θで表わす）に沿った複数の点、及び平板Ｐと垂直な面（角度Φで表わす）に沿った複数の点において、２ＫＨｚ，４ＫＨｚ，６ＫＨｚの各周波数について音圧を測定した。
図９ａは、平面Ｐと平行な面で角度θについて、図９ｂは平面と垂直な面で角度Φについて測定したグラフである。両グラフにおいて横軸は角度を表わし、縦軸は音圧をデシベル（ｄＢ）で表わしている。なお比較のため、平面に付されていない導波管の開口真上１５ｃｍにおける音圧を０ｄＢとしている。

図９ａから、平面と平行な方向では平面の存在により導波管の直上（０度）から角度約６０度（−１０ｄＢ）までは滑らかな減衰を示していることが判る。
また図９ｂからも前方向約７５度までは各周波数の強弱関係を維持しながらなだらかに減衰していることを示していることが判る。
いずれの回転においても、０度から３０度まではプラス値が観測され、平面Ｐを設けることによって、平面Ｐを有しない導波管開口の真上よりもその出力の能率は優れていることを示している。
実際の音場は水平面、垂直面だけでなく、その中間を含む面で、音源からの距離や角度、周波数などに応じて複雑な音場を形成することになるが、実際上導波管を床から天井に向かって設けた場合、聴者Ｍは導波管開口面をやや見下すような位置で、平面Ｐに対面して音を聴くわけであることから、その方向への音場形成が最も重要である。すると、図７ａ，ｂ，ｃに示す実験結果、及び図９ａ，ｂに示す実験結果から、聴者Ｍは導波管開口部を音源とした、十分な出力、周波数特性、指向性を有する音を捉えることができることが分かる。

また特に図９bに示す測定結果から、聴者Ｍは、導波管を床から天井に向かって設けた場合は導波管の開口面と同一水平面(前方向角度Φ＝９０度)の位置よりも、やや上方向(前方向角度Φ＝７５度以下)の位置から聴く方が、周波数成分のバランスのとれた音を聴くことが出来ることが分かる。従って導波管を機器平面に取付ける場合の取り付け位置は、聴者Ｍの予想される耳の高さより十分低くても差支えない。同様に聴者Ｍの耳の位置に対して、導波管開口面が上，下，左右に離れている場合は耳の位置に対する導波管開口面の傾きが１５度以上となるよう傾けてもよい事がわかる。

以下図面に基づいて本発明の実施例を説明する。なお実施例１乃至３において、導波管の開口端に存在する前記空気流抵抗素子６３は、簡単のため図示を省略している。
図１は、本発明を薄型テレビ受像機に実施した場合の例で、テレビ受像機を正面から見た図である。また特に、後述の脚柱４ａ，４ｂ及び台座５ａ，５ｂの部分は、構造が分かるように断面で表わしている。図１において１はテレビ受像機本体で２はそのスクリーンである。テレビ受像機本体１は、前面パネル３の下縁の支点３ａ及び３ｂに取付けられた二本の脚柱４ａ及び４ｂで支持されている。脚柱４ａ及び４ｂは中空に形成されており、音の導波管を兼ねている。脚柱４ａ及び４ｂの下部は台座５ａ，５ｂに接続されている。

台座５ａ及び５ｂは中空な箱状で、スピーカボックスを兼ねている。台座５ａ及び５ｂの内部にはスピーカ６ａ及び６ｂが上向きに取付けられている。スピーカ６ａ及び６ｂの振動板の前面は開口となっており、脚柱４ａ及び４ｂの下端部の断面はスピーカ開口をすっぽり塞ぐようになっている。例えば脚柱４ａ，４ｂの上部断面より、スピーカ開口が大きい場合は、脚柱４ａ，４ｂは下部に向かって末広がり状に作られる。従ってスピーカ６ａ及び６ｂの振動板前面の音は導波管を兼ねた脚柱４ａ及び４ｂによって上方に集音し導かれる。

図２は、図１におけるテレビ受像機本体１に、脚柱４ａ，４ｂを取付けた、支点３ａ，３ｂ付近の一方を拡大して表わした斜視図である。図１と共通の部位には同一の符号を付してある。図２ａは脚柱４ａ，４ｂの断面が矩形の場合を、図２ｂは断面が円形状の場合を表わしている。

図２ａの断面が矩形の例では、脚柱４ａ，４ｂのパネル３に接する辺Ｓは、接着，溶着，ビス止めなどにより、テレビ受像機本体１のパネル３に取付けられている。脚柱４ａ，４ｂのみではテレビ受像機の荷重に耐えられないときや、バランスがとれない場合は、別に支持専用の脚を設けてもよく、また必要に応じ脚柱４ａ，４ｂの強度を増す手段がとられることは当然である。またスピーカ６ａや６ｂの開口が円形や楕円形である場合は、脚柱４ａ，４ｂの下端部の断面形状もそれに合わせるようにする。

図２ｂの例では、脚柱４ａ，４ｂを円筒状に作り、その円形断面に、パネル３の面と平行な面で縦の切り込みを入れ、後半部を切り欠くようにしている。切欠かれた部分の断面は、テレビ受像機１の底面とパネル３によって塞がれる。脚柱４ａ，４ｂの切り欠かれた部分とテレビ受像機１との間は接着，溶着，嵌合などの手段で固定される。脚柱４ａ，４ｂの切り欠かれなかった部分は中空な半円状断面となって残り、導波管としての機能を維持している。なおこの場合において脚柱４ａ，４ｂの、切り欠かれてテレビ受像機底面で塞がれる部分は、必ずしも中空である必要はない。重要なことは、下部開口がスピーカ開口を覆うようにすることである。

図２ａ，２ｂの実施例では、脚柱４ａ，４ｂの開口の直線を構成する辺Ｓは、パネル３またはスクリーン２の平面にほぼ密着するとともに、開口面はパネル３またはスクリーン２の平面とほぼ直角になる。この状態でスピーカ６ａ，６ｂから音が出ると、図８に基づいて説明した原理に基づき、パネル３またはスクリーン２の前面にいる聴者はそこに真の音源があるかのように感じることができる。
なお本実施例では脚柱４ａ，４ｂはテレビ受像機を下から支持する形のもので説明したが、上方（天井）から吊り下げる形にして、その基部にスピーカを取付けるようにしてもよい。

図３は本発明のスピーカシステムを自動車の音響システムに適用した場合の実施例である。図３は自動車の運転席を助手席側から見た側面図で、３１は運転席，３２はステアリングホイール，３３はドア，３４はドアガラスである。３５はスピーカであるが通常はドアの内部空間か、足元近くの壁の中に内蔵されており、スピーカグリルのみが表面に露出している。従って、スピーカ３５から発せられる音は、運転者の足元付近で、しかも横方向に向かって発せられるのが普通である。

図３に示す実施例２では、ドア３３の下部空間にスピーカキャビネット（図示せず）を内蔵させ、スピーカ３５の振動板前面を覆うように導波管３６を取付ける。そして、ドア内部を貫通するように導波管３６を通し、その終端の開口面３７がドアガラス３４の面とほぼ直交するように取付ける。これにより、導波管開口部３７付近において、導波管開口面と水平方向に生じた音と、ドアガラス３４の面の反射音が合成され、その位置に音源が生じるので、運転者はほぼ耳の高さで音楽などを聞くことができ、音響効果を著しく高めることができる。

図４は本発明をゲーム機器に実施した場合の第３の実施例を示す。図４において４０はパチンコ台である。この種機器は遊技者の顔が丁度盤面の中央にくるような高さに設置される。また個別にスピーカを備え、遊技者の精神状態を高揚するような音響を流すのが普通であるが、スピーカ４２は取付けスペースの関係で遊技者の顔（耳）の高さには設置できず、上下左右の隅のような空きスペースに取付けられる。盤面は枠４１に嵌められた透明ガラス（図示せず）によって覆われている。

本実施例においては、パチンコ台４０の枠４１の、内部，表側，裏側など適宜な個所に導波管４３を取付け、パチンコ台左右上部の隅に取付けられたスピーカ４２から、遊技者の顔の高さまで音を導くようにする。導波管４３はスピーカ４２の前面開口を覆うように取付けられ、他の一方の開口４４は、開口面の一辺がパチンコ台表面を覆うガラスの面に密着し、導波管開口面とガラス面がほぼ直交する位置関係になるようする。するとこの位置に音源が生成され、盤面に対面している遊技者は、丁度耳の高さで正面から来る音を聞くことになるので、極めて自然な音感を得ることができる。

なおパチンコ台４０のような遊技機械においては、保守点検のため、ガラスを嵌め込んだ枠４１が、扉状に開閉できるようになっているものがある。その場合は、スピーカ４２と導波管４３を、パチンコ台の本体側に取付け、扉状の枠４１が閉められたとき、開口４４の一辺が丁度ガラス表面に接するような位置関係になるよう扉を配置すればよい。
また、スピーカ４２のみをパチンコ台の本体側に取付け、扉状の枠４１が閉められたとき、導波管のスピーカ側開口がスピーカ開口を覆うように配置してもよい。

本発明のスピーカシステムは、奥行きを必要とせず、スピーカの存在を意識させないので、上記実施例に限らず、例えば平面を有する壁、絵画、広告板などに、開口面が直角になるように取付けると、その位置からＢＧＭ，解説，コマーシャルなどが自然に聞こえてくるようにすることができる。
また導波管は直管である必要はなく取付部位の形に応じて曲線状にすることもできる。

本発明をテレビ受像機に実施した例 図１の実施例の一部拡大斜視図 本発明を自動車の音響システムに適用した実施例 本発明をゲーム機器に適用した実施例 本発明の基本的な概念を説明する図 空気流抵抗素子を示す図 図５に示す原理のスピーカの周波数特性を説明するグラフ 図５に示す原理のスピーカの斜視図 図８に示すスピーカの、平面と平行な面及び垂直な面における周波数特性を表わすグラフ

符号の説明

１テレビ受像機本体
２スクリーン
３前面パネル
４脚柱
５台座
６スピーカ
３１運転席
３２ステアリングホイール
３３ドア
３４ドアガラス
３５スピーカ
３６導波管

Claims (4)

1. キャビネットに取付けられたスピーカの前面開口に導波管を取付け、
   前記導波管の前記スピーカとは反対側の開口部に直線状の辺を作り、
   前記直線状の辺が平面に接し、且つ前記開口部の面が前記平面とほぼ直角になるように前記導波管を前記平面に取付けてなるスピーカシステム。
2. 請求項１のスピーカシステムにおいて、
   前記平面は機器の前面パネル，自動車の窓ガラス，遊技機器の前面ガラス，公告パネル，絵画，壁面などであることを特徴とするスピーカシステム。
3. 請求項１記載のスピーカシステムにおいて、
   前記導波管は機器の脚柱，吊り下げ柱を兼ねることを特徴とするスピーカシステム。
4. 請求項１記載のスピーカシステムにおいて、
   前記キャビネットは機器の脚柱基台，吊り下げ柱基台を兼ねることを特徴とするスピーカシステム。

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