JP3084281B2 - パネル形スピーカ - Google Patents

パネル形スピーカ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、拡声器スピーカの
場合のような薄いスピーカ断面を必要とする用途に適し
た、共振マルチモード放射器(resonant multi-mode rad
iator)を使用するパネル形スピーカに係わる。本スピー
カは１に近い変換効率を示し、従って、スピーカからの
高い音響パワー出力を必要とする用途に適している。
【０００２】
【従来の技術】従来のスピーカは、音響出力を発生させ
るために、実質的に全体的に往復動される振動板又はそ
れに類似した要素を使用する。その振動板の運動は、振
動板駆動装置の駆動に応答してその振動板が前進後退す
るように、その表面全面に亙って同相でなければなら
ず、特に、このことは、そのスピーカがその帯域に亙っ
て作動することが必要とされる周波数帯に関係する振動
板の性質と大きさによって実現される。こうしたスピー
カは、振動板の共振モードを適切に減衰させることによ
って、その振動板の第１共振周波数よりも高い周波数で
作動することが可能であるが、こうしたスピーカでは、
その振動板は主に、その振動板が共振モードを示す周波
数より低い周波数において作動し、このことは、スピー
カに対して、望ましくない空間的及び／又は周波数上の
制限を加える。共振周波数の閾値を高めるために小さな
振動板が使用されるが、こうした小さな振動板は低周波
数においては十分な放射器ではない。
【０００３】現在使用されているスピーカには２つの主
な種類があり、これらの両方は、往復駆動される振動板
を使用する。第１の種類のスピーカは静電スピーカであ
り、このスピーカでは、その振動板は、振動板と、その
振動板の背後に僅かに間隔を置いて配置された固定バッ
クプレートとの間に生じる電荷差によって駆動される。
静電スピーカは、広い周波数帯に亙って高忠実度出力を
生じさせることが可能であり、拡声器用途に適した比較
的平らな形状である。しかし、こうした静電スピーカは
高価であり、しかも、そうしたスピーカの利点を減じる
非常に低い変換効率を有する。ピストン状振動板スピー
カの他方の確立した形式は、電気機械駆動装置によって
駆動されるエッジ装着振動板を含む従来のダイナミック
スピーカである。こうしたダイナミックスピーカは比較
的狭い帯域を有し、静電スピーカよりは効率が高い放射
器であるけれども、依然として低い変換効率を有する。
この形式のスピーカでは、振動板の前進出力と後退出力
の間の有害な干渉を防止することが必要である。このこ
とは、一般的に、堅固な箱形ハウジングの前部面に振動
板が装着されることを必要とし、従って平パネル形態を
不可能にする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】拡声器用途に少なくと
も適した周波数帯を有する高変換効率の平パネル形スピ
ーカを提供することが、本発明の目的である。この目的
は、新規性のある仕方で作動するスピーカを製作するた
めに、幾つかの最新の複合パネルによってもたらされる
可能性を使用することによって実現される。例えば、軽
量のスペーシングコア(spacing core)がその間にサンド
イッチされた薄い構造用外板を含む複合パネルが航空宇
宙構造物のために一般的に使用され、こうした複合パネ
ルの幾つかが、請求の範囲に記載されたスピーカにおい
て使用されることが可能である。幾つかのサンドイッチ
状パネル材料が、例えば***特許明細書GB 2010637A、G
B 2031691A 、GB 2023375Aに開示されるように、従来の
ダイナミックスピーカにおける振動板構造に以前に使用
されたことがあるが、本出願人の知る限り、そうしたパ
ネル材料が本発明の方法で共振マルチモード放射器とし
て使用されることは、これまでになかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】特許請求の範囲に記載さ
れた発明は、横セル状構造(transverse cellular const
ruction)のスペーシングコアを有する、２つの材料外板
で形成された単一のサンドイッチ状パネルであり、且
つ、前記パネルが全方向において少なくとも10の「曲げ
スチフネス(B)」対「単位表面積当たりのパネル質量
(μ)の３乗」比率を有するようなパネルである、共振マ
ルチモード放射器要素と、減衰をもたらさずに自由状態
に前記パネルを支持する又は前記パネルを支持本体に固
着する装着手段と、前記スピーカのための作動周波数帯
内で電気入力に応答して放射器パネル内でマルチモード
共振を励振する働きをすべく放射器パネルに結合された
電気機械駆動手段とを含むパネル形スピーカである。
【０００６】上記の定義で使用され本明細書内の他の場
所で使用される術語「横セル状構造」は、パネル材料の
厚さを通って延びるコアセル(core cell)を有する、ハ
ニカムコア形状と、非六角形のコア断面を有する他のセ
ル状基礎コア構造(cellularbased core construction)
とを意味する。
【０００７】本発明の上記の定義において、及び、本明
細書と請求項の全体において、使用される単位の全ては
MKS 単位であり、具体的には上記のパラグラフにおいて
Nmとkg/m2である。本出願人は上記の比率の値を「Ｔ」
と呼び、上記に明記されたＴ値が、求められる仕方で放
射器パネルが適正に機能することが可能であるために必
要である。好ましくは、Ｔの値は100以上であるべきで
ある。このＴ値は、そのスピーカがその一致周波数(coi
ncidence frequency)（下記参照）より高い周波数にお
いて意図通りに作動している時の、放射器パネルの音響
変換効率の測定値である。高Ｔ値は、薄い金属外板を有
するハニカムコア付きパネルの使用によって最も適切に
得られる。現時点で好ましいパネルのタイプは、そのコ
アと外板との両方がアルミニウムかアルミニウム合金で
作られた、ハニカムコア構造と薄い外板とを有するパネ
ルである。そうしたパネルの場合、200以上のＴ値が得
られることが可能である。充実プレート材料の場合に
は、どんな材料であっても、Ｔの必要最小値を与えるこ
とは恐らく不可能だろう。充実鋼製パネルは、どんな厚
さであっても、必要なＴ値よりもかなり低い約0.5のＴ
値を有するだろう。等軸補強を伴った充実炭素繊維補強
プラスチックシートは、約0.85のＴ値を有するだろう
が、このＴ値も必要最小値を大きく下回っている。特許
請求の範囲に記載されたスピーカの作動モードは、実質
的に「往復状」の振動板運動を有する従来技術の振動板
スピーカとは根本的に異なっている。前述のように、そ
うした従来のスピーカは、振動板の往復且つ同相の運動
を生じさせるように意図され、更には、その振動板のモ
ード共振運動をスピーカ周波数帯から排除するように振
動板を設計することによって、及び／又は、振動板のモ
ード共振運動を抑制するために適切な減衰を組み入れる
ことによって、その振動板のモード共振運動を避けるよ
うに意図される。これとは対照的に、本発明は従来の振
動板を全く組み入れず、むしろ、往復的、非共振的な仕
方でパネルを動かすことによってではなく、パネルにお
ける共振モードの励振によって機能するマルチモード放
射器として、上記基準に合致するパネルを使用する。こ
の作動モードにおける相違は、「スチフネス」対「質
量」の基準から、エッジ減衰の回避と、放射器パネル内
での内部減衰層等の不在とから、更には、複合パネルの
一致周波数と基本周波数との両方を上回る周波数におけ
る放射器の動作から、結果的に生じる。
【０００８】「一致周波数」とは、その周波数において
放射器パネルの曲げ波動速度が空気中の音速に一致する
周波数である。スピーカの一致周波数を上回る周波数に
おいて最新の複合サンドイッチ形パネルの多くが効率的
に放射するが故に、この一致周波数は、スピーカの効率
的な動作のための一種の閾値である。その放射器パネル
の一致周波数が必要帯域に合致するか又は必要帯域より
低くなる、所与の周波数帯に適した放射器パネルを製作
することが、本明細書で提供される情報を使用して可能
であり、その結果として、スピーカが、電気機械駆動手
段からの機械的入力の殆ど全てを音響出力に変換するだ
ろう。高い変換効率というこの特徴が、共振マルチモー
ド放射器に基づくシステムにおける潜在的な問題点を克
服するが故に、このことは単なる要件以上のものであ
る。（ここで示される設計規則に従った適切な材料の選
択によって実現されることが可能な）高い変換効率は、
パネル材料内の内部構造減衰によって又はパネル運動の
故に強いられる減衰によってというよりはむしろ音響減
衰によってパネル運動が抑制される時に得られる。これ
が得られる時には、音響歪みは小さいだろう。
【０００９】上記で示された「Ｔ」基準における「Ｂ」
の値は、迅速な屈曲作用を受ける時のパネルのスチフネ
スというよりはむしろパネルの静的曲げスチフネスであ
る。しかし、コア内の剪断運動の影響の増大に起因する
周波数の増大に伴って、この曲げスチフネスが減少す
る。この剪断運動の作用が最少化されることが重要であ
り、これは、十分に高い剪断弾性係数を有するパネルの
使用によって得られることが可能である。この必要条件
は第２の基準を導き、この第２の基準とは、コアの剪断
弾性係数(G)が、関係「μｃ2／ｄ」（前式中の「ｃ」は
空気中の音速であり、「ｄ」はパネルコアの深さであ
る）によって与えられる値に等しいか、それよりも大き
くなければならないということである。この表現を別の
式「μ．ｃ2／ｄ．Ｇ＞１」に再配列することが好都合
である。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の２つの代表的な形態が、
次のような添付図面を参照しながら以下に実施例として
説明される。
【００１１】図１に図解されたスピーカは、共振マルチ
モード放射器１と、吊り下げループ３によって放射器が
そこから吊り下げられる簡単な支持フレーム２と、電気
機械励振器４を含む。放射器１は、アルミニウム合金外
板を有するアルミニウム合金ハニカムサンドイッチ構造
の長方形パネルを含む。このパネルの詳細と寸法決定規
則は後述される。電磁励振器４は軸５を有し、更に、こ
の軸５が放射器パネル１の背面に押し当たり、励振器４
に電気信号が供給される時にその軸の往復運動によって
放射器パネル１を励振するように、電磁励振器４が支持
フレーム２の上に装着される。軸５とパネル１との間の
接触点において、摩損と損傷に耐えるようにパネルがパ
ッチ６によって補強される。放射器パネル１を優先的に
対称モードで励振することを防ぐために、そのパネルの
中心点付近のパネル上の箇所ではなく、そのパネルの１
つの隅に近いパネル上の箇所において、励振器４が放射
器パネル１を励振するように、励振器４が配置される。
励振器４の慣性質量と放射器パネル１の慣性質量とが、
効率的な動力伝達のために、励振器４と放射器パネル１
の間の効率的な慣性結合を確保するように適合させられ
る。
【００１２】図２に示される、本発明のスピーカの第２
の実施例は、後述される幾つかの余り重要でない詳細部
分を除けば、図１を参照して前述されたスピーカの実施
例の類似物である。これらの２つの図における共通の部
品に対して、共通の参照番号が使用される。
【００１３】このスピーカの第２の実施例は、支持フレ
ームから吊り下げられるというよりはむしろ天井７から
吊り下げられる。放射器パネルが天井から垂れ下げられ
るというよりはむしろ天井の下に配置されるように、前
述の第１の実施例における２つの吊り下げループの代わ
りに、４つの吊り下げループが使用される。励振器４は
放射器１の上方に配置される。
【００１４】上記の２つのスピーカ実施例は、全く同一
の仕方で作動し、且つ、そのスピーカの必要周波数帯に
関係するパネル材料の選択とパネルの構造と大きさに関
して、同一の設計規則に従う。両方とも前述された
「Ｔ」基準と「剪断弾性係数」基準は、パネル寸法とス
ピーカ周波数レンジよりはむしろパネル形状とパネル材
料に関係する。特定の周波数レンジに関して最適化され
たスピーカを製作するためには、下記で示される幾つか
の設計規則に言及することが有益である。
【００１５】そのスピーカの必要周波数レンジの最低周
波数よりもパネルの基本周波数が低くなければならない
が故に、スピーカの必要周波数レンジの下限がパネルの
基本周波数に制限を与える。更に、パネルの一致周波数
も、そのスピーカの必要周波数レンジの最低周波数より
低くなければならない。一致周波数（ｆ1）はパネル面
積とは無関係であり、次式によって与えられる。
【００１６】ｆｃ 2 ＝μ．ｃ4／４．π2．Ｂ 特定のスピーカに関する必要帯域は、ｆｃの値を決定
し、従ってμとＢの間の関係を生じさせる。基本周波数
（ｆ1）の値も決定されるならば、ｆ1が次の近似式によ
って与えられるが故に、この基本周波数の値が、パネル
面積に関する近似値を決める。
【００１７】ｆ1 2 ＝Ｂ／μ．Ａ2 最後に、パネルのコア内で第１の空気共振が起こる周波
数は、スピーカの周波数上限より高くなければならな
い。この周波数（ｆａ）は、更に別の式によって次のよ
うに与えられ、 ｆａ＝ｃ／２．ｄ 前式中でｄはパネルコアの深さである。従って、この式
は、スピーカの周波数帯域に従ってパネルコアの深さを
決める。
【００１８】以下では、設計上で考慮すべき点が、１ｍ
×１ｍ正方形のアルミニウム外板付きアルミニウムハニ
カムコア複合体を含む放射器パネルを使用する１つのス
ピーカ実施例を参照して、一例として説明される。この
パネルの場合は、コア深さは0.04ｍであり、各々の外板
の厚さは0.0003ｍである。このパネルの場合には、Ｂが
18850Nmであり、μが3.38kg／m2であり、Ｔが488Nm7／k
g2である。
【００１９】ｆ1方程式から、ｆ1は［18850／3.38×1］
1/2＝75Hzである。
【００２０】ｆｃ方程式から、ｆｃは［3.38×3404／4
×3.14162×18850］1/2＝246Hzである。
【００２１】ｆａ方程式から、ｆａは340／２×0.04＝4
250Hzである。
【００２２】そのパネルの剪断スチフネスは、そのパネ
ル平面内の方向に応じて変化する。「Ｇ」の最小値の軸
の場合には、式「μ．ｃ2／Ｇ．ｄ」は0.056の値を有
し、「Ｇ」の最大値の軸の場合には、上記式が0.122の
値を有する。これらの値は、両方とも限界値「１」より
もずっと小さく、従って、意図された周波数帯に亙っ
て、そのスピーカの性能がコア剪断運動によって制限さ
れることがないだろうということを示す。
【００２３】こうした計算に基づいて、上記で詳説され
た材料で作られた１ｍ×１ｍ正方形の形状の放射器パネ
ルを使用する、請求の範囲に記載されたスピーカが、高
変換効率と低歪みをその帯域内で有する250Hz〜４kHzの
周波数帯域を有するだろうということが推測されるだろ
う。そうした帯域が拡声器スピーカにとって非常に適切
であるだろうということが予想される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、フレームに装着されたスピーカの背部
から見た等角図である。
【図２】図２は、天井に装着されたスピーカの側面図で
ある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 7/08 H04R 1/00 310 H04R 9/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パネル形スピーカであって、 横セル状構造のスペーシングコアを有する、２つの材料
    外板で形成された単一のサンドイッチ状パネルであり、
    且つ、前記パネルが全方向において少なくとも10の「曲
    げスチフネス（Ｂ）」対「単位表面積当たりのパネル質
    量（μ）の３乗」比率を有するパネルである共振マルチ
    モード放射器要素と、減衰をもたらさずに自由状態で前
    記パネルを支持するか又は前記パネルを支持本体に固着
    する装着手段と、前記スピーカのための作動周波数帯内
    で電気入力に応答して放射器パネル内でマルチモード共
    振を励振する働きをすべく放射器パネルに結合された電
    気機械駆動手段とを含む前記パネル形スピーカ。
  2. 【請求項２】 前記放射器要素を構成する前記サンドイ
    ッチ状パネルが、少なくとも100の「Ｂ／μ3」比率を有
    するようなパネルである請求項１に記載のパネル形スピ
    ーカ。
  3. 【請求項３】 前記放射器要素を構成する前記サンドイ
    ッチ状パネルの外板が、アルミニウム又はアルミニウム
    合金を含む請求項１又は２に記載のパネル形スピーカ。
  4. 【請求項４】 前記サンドイッチ状パネルのコアが、ア
    ルミニウムまたはアルミニウム合金のハニカムコアであ
    る請求項１から３のいずれか一項に記載のパネル形スピ
    ーカ。
  5. 【請求項５】 前記電気機械駆動手段が、前記放射器パ
    ネルの第１共振周波数と一致周波数との両方を上回る基
    本周波数成分を有する電気駆動信号を供給される請求項
    １から４のいずれか一項に記載のパネル形スピーカ。
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