特許 7590579 ホーン付き同軸スピーカー及びその形状最適化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】ホーン付き同軸スピーカー及びその形状最適化方法

(51)【国際特許分類】

   H04R 9/06 20060101AFI20241119BHJP

   H04R 9/04 20060101ALI20241119BHJP

   H04R 9/02 20060101ALI20241119BHJP

   H04R 1/30 20060101ALI20241119BHJP

【ＦＩ】

H04R9/06 A

H04R9/04 103

H04R9/02 102A

H04R1/30 A

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2023534739

(86)(22)【出願日】2021-07-05

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-27

(86)【国際出願番号】 CN2021104529

(87)【国際公開番号】W WO2022127081

(87)【国際公開日】2022-06-23

【審査請求日】2023-06-07

(31)【優先権主張番号】202011463139.1

(32)【優先日】2020-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】519348325

【氏名又は名称】蘇州上声電子股▲フン▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＳＵＺＨＯＵ ＳＯＮＡＶＯＸ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＣＯ．， ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】陸明偉

(72)【発明者】

【氏名】柴国強

(72)【発明者】

【氏名】徐仁方

(72)【発明者】

【氏名】薛夏豐

【審査官】▲徳▼田 賢二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００６４４１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実開昭５５－０５１５２３（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ ９／０６

Ｈ０４Ｒ ９／０４

Ｈ０４Ｒ ９／０２

Ｈ０４Ｒ １／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ウーファーユニットとツイーターユニットを備えた同軸スピーカーであって、前記同軸スピーカーには、内部空洞と開いた上端と下端を備えたホーンも含まれ、前記ツイーターユニットにはツイーターコーンが含まれ、前記ホーンは前記ツイーターコーンを囲み、前記ホーンの下端部は前記ツイーターユニットに接続され、前記ホーンの上端部は最大内径にあり、前記ホーンは拡張部を有しており、前記拡張部は前記ホーンの上端部より低く、前記拡張部の内径は下から上に向かって徐々に大きくなっており、前記ホーンの上下方向に沿った断面の内側の輪郭またはその一部がベジェ曲線形状を呈していることを特徴とする同軸スピーカー。

【請求項2】

前記ホーンの内径は下から上に向かって徐々に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の同軸スピーカー。

【請求項3】

前記ツイーターユニットにはシートも含まれ、前記シートは前記ウーファーユニットに設置され、前記ツイーターコーンは前記シートに設置され、前記ホーンの下端部は、前記シート及び／又はツイーターコーンの外縁に接続されることを特徴とする請求項１に記載の同軸スピーカー。

【請求項4】

前記ホーンの下端面の一部には、上向きにアーチ状のアーチ部があり、前記ツイーターコーンのエッジ部分は前記アーチ部の下に位置し、それらの間に前記内部空洞と連通する環状の凹状空洞を形成することを特徴とする請求項３に記載の同軸スピーカー。

【請求項5】

前記ツイーターユニットは、ツイーターボイスコイルと、音声信号を前記ツイーターボイスコイルに送信するためのはんだラグとをさらに含み、前記はんだラグの上部は前記シートに埋め込まれており、前記ツイーターボイスコイルの入力端に接触して導通し、前記はんだラグは、音声信号を入力するための信号入力線に電気的に接続されることを特徴とする請求項３に記載の同軸スピーカー。

【請求項6】

前記ウーファーユニットはウーファーボイスコイルを含み、前記ウーファーボイスコイルのリード線は前記信号入力線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の同軸スピーカー。

【請求項7】

前記ウーファーユニットには、さらに磁気回路システムが含まれ、前記磁気回路システムには上下方向に延びる貫通穴が設けられており、前記信号入力線が前記貫通穴に貫通し、前記はんだラグの下部は前記貫通穴内に伸びており、前記信号入力線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の同軸スピーカー。

【請求項8】

前記同軸スピーカーには、前記ホーンとウーファーユニットの間に接続されたダストリングも含まれていることを特徴とする請求項１に記載の同軸スピーカー。

【請求項9】

前記ウーファーユニットにはウーファーコーンが含まれ、前記ダストリングは前記ホーンの上端部と前記ウーファーコーンの間に接続されることを特徴とする請求項８に記載の同軸スピーカー。

【請求項10】

前記ウーファーユニットはウーファーボイスコイルを含み、前記ツイーターユニットは前記ウーファーボイスコイル内に設置され、前記ツイーターユニットの最上端と前記ホーンの上端は、どちらも前記ウーファーユニットの上端より低くなっていることを特徴とする請求項１に記載の同軸スピーカー。

【請求項11】

前記同軸スピーカーはまた、前記ホーンの内面から内側に延びる複数の延長フィンを含み、前記延長フィンは、前記ツイーターユニットのツイーターコーンの上にあることを特徴とする請求項１に記載の同軸スピーカー。

【請求項12】

前記延長フィンは前記ホーンの半径方向内側に延長し、前記延長フィンの半径方向のサイズは、上から下に向かって徐々に増加することを特徴とする請求項１１に記載の同軸スピーカー。

【請求項13】

各前記延長フィンの下端部はすべて、環状部材に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の同軸スピーカー。

【請求項14】

ホーン付き同軸スピーカーの形状最適化方法であって、
請求項１に記載の同軸スピーカーの幾何学的モデルを構築し、ホーンの輪郭曲線における制御ノードを取得するステップＳ１と、
物理場を設定するステップＳ２と、
材料パラメータを定義するステップＳ３と、
メッシュを分割するステップＳ４と、
ホーンのプロファイル形状の幾何学的パラメータを最適化するステップＳ５と、
最適化された後のパラメータに従ってホーンの最適化された幾何学的モデルをレンダリングするステップＳ６と、を含み、
そのうち、前記ステップＳ５は具体的には、
ホーンの輪郭曲線にある制御ノードのグループの座標値Ｐを最適化パラメータとして使用する最適化パラメータの選択Ｓ５１と、
制約条件を設定する：座標値Ｐの値の範囲Ｃを

【数9】

に制限し、
上記の式で、ｌｂは座標値Ｐの下限、ｕｂは座標値Ｐの上限であるＳ５２と、
最適化の目標を決定する：同軸スピーカーの０°の軸角度と軸外角度の高周波平均音圧レベル応答

【数10】

と

【数11】

の合計は、最大値を取る必要があり、つまり、

【数12】

を満たし
上記の式で、

【数13】

は最適化の目標を満たす最適化パラメータのセットであり、

【数14】

は最大値を求める演算子であるＳ５３と、
最適化計算：最適化パラメータＰと制約条件Ｃに従って、最適化アルゴリズムを使用して、最適化の目標を満たす最適化パラメータのセットを取得するＳ５４と、を含むことを特徴とするホーン付き同軸スピーカーの形状最適化方法。

【請求項15】

前記ステップＳ２は具体的には、
電磁界および振動システム：スピーカー振動システム部品の固定部分に「固定制約」を設定し、スピーカー振動システム部品の材料構成関係を「線形弾性材料モデル」に設定し、スピーカーボイスコイルに軸方向荷重ＦＦを次のように設定し、

【数15】

上記の式で、ＢＬはスピーカー磁気回路の駆動力係数、Ｚｂ（ｆｒｅｑ）はスピーカー磁気回路の基本インピーダンス周波数応答曲線、ｖはスピーカーボイスコイルの軸方向振動速度、Ｖ_０はスピーカー負荷電圧であるＳ２１と、
音場：ホーン輪郭の幾何学的モデルを「硬い音場の境界」に設定し、スピーカー周辺の空気領域の外層を「完全一致層」に設定するＳ２２と、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の形状最適化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連技術出願の相互参照）
本開示は、２０２０年１２月１４日に出願された出願番号ＣＮ ２０２０１１４６３１３９１の中国特許出願の優先権を主張し、その全内容は参照により本開示に組み込まれる。

【0002】

本開示は、スピーカーの分野、特にホーン付き同軸スピーカー及びその形状最適化方法に関する。

【背景技術】

【0003】

同軸スピーカーは、高音域と中低音域をそれぞれ再現するツイーターユニットとウーファーユニットを統合している。同軸スピーカーの利点は、フルレンジスピーカーの帯域幅が大幅に改善され、カーオーディオで広く使用されていることである。現在、少数の高品質カースピーカーオーディオシステムは、同軸スピーカーのツイーターユニットのみを使用し、ウーファーユニットをミュートして車内の音場を調整する場合がある。これはまた、ツイーターユニットが単独で動作する場合、良好な周波数応答曲線を持っている必要があるという事実にもつながる。ただし、同軸スピーカーでは、ウーファーユニットの構造がツイーターユニットの放射音場に影響を与えることになる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の問題を考慮して、本開示は、ホーン付き同軸スピーカーを提供し、これは、ツイーターユニットのみが動作するときにより良い周波数応答曲線を有し、同時に、ウーファーユニットのツイーターユニットの音場への影響を低減する。本開示はまた、ホーン付き同軸スピーカーの形状最適化方法を提供し、これは、ホーンの形状を迅速かつ正確に最適化し、スピーカーの音響性能を改善することができる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の第１の態様によれば、同軸スピーカーは、ウーファーユニット及びツイーターユニットを含み、前記同軸スピーカーには、内部空洞と開いた上端と下端を備えたホーンも含まれ、前記ツイーターユニットにはツイーターコーンが含まれ、前記ホーンは前記ツイーターコーンを囲み、前記ホーンの下端部は前記ツイーターユニットに接続され、前記ホーンの上端部は最大内径にある。

【0006】

好ましい実施例では、前記ホーンは拡張部を有し、前記拡張部の内径は下から上に向かって徐々に大きくなる。より好ましくは、上下方向の前記拡張部の断面は、２つの鏡面対称のベジェ曲線形状の内部輪郭を持っている。高周波周波数応答曲線を滑らかにする。

【0007】

好ましい実施例では、前記ホーンの内径は下から上に向かって徐々に大きくなる。より好ましくは、前記ホーンの上下方向の断面には、２つの鏡面対称のベジェ曲線形状の内部輪郭がある。高周波周波数応答曲線を滑らかにする。

【0008】

好ましくは、前記ツイーターユニットにはシートも含まれ、前記シートは前記ウーファーユニットに設置され、前記ツイーターコーンは前記シートに設置され、前記ホーンの下端部は、前記シート及び／又はツイーターコーンの外縁に接続される。

【0009】

より好ましくは、前記ホーンの下端面の一部には、上向きにアーチ状のアーチ部があり、前記ツイーターコーンのエッジ部分は前記アーチ部の下に位置し、それらの間に前記内部空洞と連通する環状の凹状空洞を形成する。高周波周波数応答曲線を滑らかにする。

【0010】

より好ましくは、前記ツイーターユニットは、ツイーターボイスコイルと、音声信号を前記ツイーターボイスコイルに送信するためのはんだラグとをさらに含み、前記はんだラグの上部は前記シートに埋め込まれており、前記ツイーターボイスコイルの入力端に接触して導通し、前記はんだラグは、音声信号を入力するための信号入力線に電気的に接続される。

【0011】

さらに、前記ウーファーユニットはウーファーボイスコイルを含み、前記ウーファーボイスコイルのリード線は前記信号入力線に電気的に接続されている。

【0012】

さらに、前記ウーファーユニットには磁気回路システムが含まれ、前記磁気回路システムには上下方向に延びる貫通穴が設けられており、前記信号入力線が前記貫通穴に貫通し、前記はんだラグの下部は前記貫通穴内に伸びており、前記信号入力線に電気的に接続されている。

【0013】

好ましくは、前記同軸スピーカーには、前記ホーンとウーファーユニットの間に接続されたダストリングも含まれている。

【0014】

より好ましくは、前記ウーファーユニットにはウーファーコーンが含まれ、前記ダストリングは前記ホーンと前記ウーファーコーンの間に接続され、さらに、前記ダストリングは通気性のある材料で作られている。 ウーファーユニット用磁気ギャップ防塵である。

【0015】

さらに、ダストリングの上下方向に沿った断面には、ウーファーユニットの動作中にウーファーコーンが引っ張られないように、２つの鏡面対称の波状またはジグザグ形状が含まれている。

【0016】

さらに、前記通気性のある材料は、綿、ＰＣ（ポリカーボネート）またはＣＯＮＥＸ（アラミド繊維）である。ダストリングは防塵専用で、防水用ではない。

【0017】

好ましくは、前記ウーファーユニットはウーファーボイスコイルを含み、前記ツイーターユニットは前記ウーファーボイスコイル内に設置され、前記ツイーターユニットの最上端と前記ホーンの上端は、どちらも前記ウーファーユニットの上端より低くなっている。ツイーターユニットとホーンはウーファーユニット内に一体的に配置されている。

【0018】

好ましくは、前記同軸スピーカーはまた、前記ホーンの内面から内側に延びる複数の延長フィンを含み、前記延長フィンは、前記ツイーターユニットのツイーターコーンの上にある。より好ましくは、前記延長フィンはホーンの半径方向内側に延長する。さらに、前記延長フィンの半径方向のサイズは、上から下に向かって徐々に増加する。さらに、各前記延長フィンの下端部はすべて、環状部材に接続されている。さらに、前記延長フィンの内縁は弧状である。延長フィンは、ツイーターユニットの内部部品を効果的に保護し、指などの異物が誤ってツイーターユニットに入り、ツイーターコーンなどの内部部品を損傷するのを防ぐことができ、延長フィンはまた、より良い高周波分散を可能にすることができる。

【0019】

本開示の別の態様によれば、ホーン付き同軸スピーカーの形状最適化方法は、
上記のように同軸スピーカーの幾何学的モデルを確立し、ホーンの輪郭曲線における制御ノードを取得するステップＳ１と、
物理場を設定するステップＳ２と、
材料パラメータを定義するステップＳ３と、
メッシュを分割するステップＳ４と、
ホーンのプロファイル形状の幾何学的パラメータを最適化するステップＳ５と、
最適化された後のパラメータに従ってホーンの最適化された幾何学的モデルをレンダリングするステップＳ６と、を含み、
そのうち、前記ステップＳ５は具体的には以下を含む。
Ｓ５１、最適化パラメータの選択：ホーンの輪郭曲線にある制御ノードのグループの座標値Ｐを最適化パラメータとして使用する。
Ｓ５２、制約条件を設定する：座標値Ｐの値の範囲Ｃを

【数1】

に制限する
上記の式で、ｌｂは座標値Ｐの下限、ｕｂは座標値Ｐの上限である。
Ｓ５３、最適化の目標を決定する：同軸スピーカーの０°の軸角度と軸外角度の高周波平均音圧レベル応答

【数2】

と

【数3】

の合計は、最大値を取る必要があり、つまり、

【数4】

を満たす
上記の式で、

【数5】

は最適化の目標を満たす最適化パラメータのセットであり、

【数6】

は、最大値を解くための演算子である。
Ｓ５４、最適化計算：最適化パラメータＰと制約条件Ｃに従って、最適化アルゴリズムを使用して、最適化の目標

【数7】

を満たす最適化パラメータのセットを取得する。

【0020】

好ましくは、前記ステップＳ２は具体的には以下を含む。
Ｓ２１、電磁界および振動システム：スピーカー振動システム部品の固定部分に「固定制約」を設定し、スピーカー振動システム部品の材料構成関係を「線形弾性材料モデル」に設定し、スピーカーボイスコイルに軸方向荷重ＦＦを設定し、次のようにである

【数8】

上記の式で、ＢＬはスピーカー磁気回路の駆動力係数、Ｚｂ（ｆｒｅｑ）はスピーカー磁気回路の基本インピーダンス周波数応答曲線、ｖはスピーカーボイスコイルの軸方向振動速度、Ｖ_０はスピーカー負荷電圧である。
Ｓ２２、音場：ホーン輪郭の幾何学的モデルを「硬い音場の境界」に設定し、スピーカー周辺の空気領域の外層を「完全一致層」に設定する。

【0021】

ステップＳ１では、有限要素解析ソフトウェアでスピーカーとその周囲の空気領域の幾何学的モデルを確立し、パラメトリックベジェ曲線でホーン輪郭の幾何学的モデルを確立し、曲線内の制御ノードを取得し、これらの制御ノードの座標値からホーン輪郭の幾何学的形状を制御する。

【0022】

ステップＳ３において、スピーカー振動システムの各部品の機械的材料パラメータを定義し、空気の材料パラメータを定義する。

【0023】

ステップＳ４では、「フリー三角メッシュ」ユニットを使用して、スピーカーとその周囲の空気領域のメッシュを分割し、最大メッシュユニットのサイズは、１つの音波波長内で少なくとも５～６個線形ユニットの原則を満たす必要がある。

【0024】

ステップＳ５４では、最適化アルゴリズムは、Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ、ＢＯＢＹＱＡ、ＣＯＢＹＬＡ、Ｌａｐｌａｃｅ、Ｗｉｎｓｌｏｗ、座標検索、Ｙｅｏｈ平滑化の７つの勾配のない最適化アルゴリズム、およびＳＮＯＰＴ、ＭＭＡ、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔの３つの勾配型最適化アルゴリズムから選択される。

【0025】

ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓやＡＮＳＹＳなどの有限要素解析ソフトウェアで上記の各ステップを実行する。

【発明の効果】

【0026】

本開示は、上記の手段を採用しており、従来技術と比較して以下の利点を有する。

【0027】

本開示のホーン付き同軸スピーカーにおいて、ツイーターユニットが動作すると、ツイーターホーンは音波を前方に伝播するように誘導し、音波が後方に放射するのを防ぎ、それによってウーファーユニットの高音への影響を低減し、同時に、徐々に外向きに拡張する構造は、ツイーターユニットの高周波の拡張を助長している。本開示の形状最適化方法は、最適化アルゴリズムを通じてホーンの最適なベジェ曲線形状を設計し、これにより、スピーカーホーンを迅速、低コスト、正確に最適化することができ、それによってスピーカーホーンの開発サイクルを短縮し、スピーカーの音響性能を改善する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

本開示の技術的解決手段をより明確に説明するために、以下は、実施例の説明で使用される添付の図面を簡単に説明し、明らかに、以下の説明の図面は、本開示のいくつかの実施例にすぎず、当業者にとって、他の図面もまた、創造的な努力なしにこれらの図面から得ることができる。

【0029】

【図1】本開示の実施例による同軸スピーカーの全体的な外観の概略図である。

【図2】図１に示した同軸スピーカーの上面図である。

【図3】図２のＡ－Ａ方向に沿った断面図である。

【図4】図３のＢの部分拡大図である。

【図5】図２のツイーターユニットとホーンの立体概略図である。

【図6】図２のツイーターユニットとホーンの断面図である。

【図7】ホーンのない同軸スピーカーと本開示の実施例による同軸スピーカーとの周波数応答曲線の比較図である。

【図8】本開示の実施例による形状最適化設計方法のフローチャートである。

【図9】図９は、スピーカー、ホーン、およびその周囲の空気の幾何学的モデルである。

【図10】図１０に、ツイーターユニットの基本インピーダンスの実数部を示す。

【図11】図１１に、ツイーターユニットの基本インピーダンスの虚部を示す。

【図12】図１２に、「固定制約」の境界を示す。

【図13】図１３に、ツイーターユニットのボイスコイルを示す。

【図14】図１４に、ツイーターユニットのダイヤフラムを示す。

【図15】図１５に、「外場計算」の境界を示す。

【図16】図１６に、「内部硬い音場境界（壁）」境界を示す。

【図17】図１７に、完全一致層を示す。

【図18】図１８に、「音－構造」の境界を示す。

【図19】図１９に、「フリー三角メッシュ」領域を示す。

【図20】図２０に、「マッピング」メッシュ領域を示す。

【図21】図２１にメッシュ分割結果を示す。

【図22】図２２に、ツイーターユニットのホーン幾何学的モデルの最適化結果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について詳細に説明することにより、本開示の利点と特徴が当業者により容易に理解できるようになる。ここで、これらの実施形態の説明は、本開示の理解を助けるために使用されるが、本開示の限定を構成するものではないことに留意されたい。また、以下に説明する本開示の様々な実施形態に含まれる技術的特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせることができる。

【0031】

本開示の説明において、「上」、「下」、「内」、「外」などの用語が示す向きまたは位置関係は、図に基づいて示される向きまたは位置関係であり、本開示の説明を容易にし、説明を単純化することのみを目的としており、参照される装置または要素が特定の向きを有し、特定の向きで構築され、動作しなければならないことを示したり暗示したりするのではなく、したがって、本開示を制限するものと解釈されるべきではないことに留意されたい。

【0032】

本開示の説明において、特に明示的に指定および限定されない限り、「取り付け」、「相互接続」および「接続」という用語は、広い意味で理解されるべきであり、固定接続、着脱式接続または一体的接続であってもよく、機械的接続又は電気的接続であってもよく、直接接続または中間媒体を介した間接接続であってもよく、２つの要素の内部接続であってもよいことに留意されたい。当業者は、本開示における上記の用語の特定の意味を特定の状況で理解することができる。

【0033】

図１から図６に示されるように、本実施例は、ウーファーユニット１とツイーターユニット２とを同軸上に配置したホーン付き同軸スピーカーを提供する。該同軸スピーカーには、内部空洞と開いた上端と下端を備えたホーン３も含まれる。上記ツイーターユニット２はツイーターコーン２２を備え、ホーン３はツイーターコーン２２を取り囲んでいる。ホーン３の下端部はツイーターユニット２に接続され、ホーン３の上端は最大内径にある。ホーン３は拡張部を有しており、拡張部の内径は下から上に向かって徐々に大きくなっている。また、ホーン３の内径は下から上に向かって徐々に大きくなり、ホーン３全体としては、外側に向かって徐々に拡張する形状となっている。具体的には、ホーン３の上下方向に沿った断面は、図３に示すように、鏡面対称のベジエ曲線形状の２つの内側輪郭を有するため、高周波周波数応答曲線は比較的滑らかである。別の実施例では、ホーン３を内側に拡張し、次に徐々に外側に拡張することができる。ホーン３は、ウーファーユニット １の構造からツイーターユニット２によって放射される音場に対する影響を大幅に低減する。ホーンは、スピーカーダイヤフラムの表面の音響インピーダンスを改善するだけでなく、それによってスピーカーの感度を改善するだけでなく、さらに重要なことに、スピーカーの高周波音場の指向性を広げ、音場効果を改善することができる。

【0034】

ウーファーユニット１は、フレーム１１と、フレーム１１上に配置されたウーファーコーン１２及び第１磁気回路システム１４と、ウーファーコーン１２に接続されたウーファーボイスコイル１３と、ウーファーボイスコイル１３に套設された位置決めダンパー１６とを含む。第１磁気回路システム１４は、ウーファーボイスコイル１３が挿入される磁気ギャップを形成し、ウーファーボイスコイル１３の下端が磁気ギャップに挿入され、通電後に上下に振動してウーファーコーン１２を振動させて音を出す。位置決めダンパー１６の外周縁は、フレーム１１に固定され、ウーファーボイスコイル１３が横揺れするのを防止する。

【0035】

ツイーターユニット２は、ウーファーユニット１のボイスコイル内に配置されるのが一般的である。ツイーターユニット２の最上端及びホーン３の上端は、いずれもウーファーユニット１の上端より低く、ツイーターユニット２及びホーン３は全体としてウーファーユニット１内に位置しているので、同軸スピーカーの体積とそれが占めるスペースを増やさないようにする。

【0036】

ツイーターユニット２は、具体的には、ウーファーユニット１上に配置されたシート２１と、シート２１上に配置された上述のツイーターコーン２２および第２磁気回路システム２４と、ツイーターコーン２２に接続されたツイーターボイスコイル２３とを備える。第２磁気回路システム２４は、ツイーターボイスコイル２３が挿入される磁気ギャップを形成し、ツイーターボイスコイル２３の下端が磁気ギャップに挿入され、通電後に上下に振動してツイーターコーン２２を振動させて音を出す。

【0037】

シート２１は、具体的には、ウーファーユニット１の第１磁気回路システム１４上に配置される。該第１磁気回路システム１４は、具体的には、Ｔヨーク１４１と、Ｔヨーク１４１に套設された磁性鋼１４２とを含み、磁性鋼１４２は、Ｔヨーク１４１を取り囲み、磁気ギャップを形成する。シート２１は、Ｔヨーク１４１の上部に配置されている。具体的には、本実施例において、Ｔヨーク１４１には、上下方向に延びる貫通穴１４３が開けられる。シート２１の下部が該貫通穴１４３に挿入される。

【0038】

該ツイーターユニット２はまた、音声信号をツイーターボイスコイル２３に伝送するためのはんだラグ２５を含む。はんだラグ２５の上部はシート２１に埋め込まれており、例えばリード線を介してツイーターボイスコイル２３の入力端に接触して導通し、はんだラグ２５の下部は、ウーファーユニット１内に延在し、音声信号を入力するための信号入力線１５と電気的に接続される。具体的には、信号入力線１５が貫通穴１４３を貫通し、はんだラグ２５の下部が貫通穴１４３内に延在して信号入力線１５と電気的に接続されている。信号入力線１５は、ウーファーボイスコイル１３のリード線とも電気的に接続され、ウーファーユニット１に音声信号を入力する。

【0039】

具体的には、ホーン３の下端部は、図３および図４に示すように、シート２１及び／又はツイーターコーン２２の外周縁に接続されている。ホーン３の下端面の一部（内側に近い部分）は、上方に向かって湾曲したアーチ部３１を有し、ツイーターコーン２２のエッジ部分はアーチ部３１の下に位置し、それらの間に内部空洞と連通する環状の凹状空洞３１０を形成し、この設置により、高周波周波数応答曲線がより滑らかになる。具体的には、ツイーターコーン２２は、上向きにアーチ状に形成された中央アーチ部２２１と、中央アーチ部２２１を取り囲む一回りのエッジアーチ部２２２を含み、エッジアーチ部２２２は、ホーン３のアーチ部３１の下に位置する。

【0040】

該同軸スピーカーはまた、ホーン３とウーファーユニット１との間に接続されたダストリング４を含む。ダストリング４は、具体的にホーン３の上端部とウーファーコーン１２との間に接続されている。ダストリング４は通気性のある材料で製造されており、ウーファーユニット１の磁気ギャップの防塵に使用される。ダストリング４の上下方向に沿った断面には、ウーファーユニット１の動作中にウーファーコーン１２が引っ張られないように、２つの鏡面対称の波状またはジグザグ形状が含まれている。通気性のある材料は、綿、ＰＣ（ポリカーボネート）またはＣＯＮＥＸ（アラミド繊維）である。ダストリング４は防塵専用で、防水用ではない。

【0041】

さらに、該同軸スピーカーはまた、ホーン３の内面から内側に延びる複数の延長フィン３２を含み、延長フィン３２は、ツイーターユニット２のツイーターコーン２２の上にある。延長フィン３２は具体的にはホーン３の半径方向に沿って内側に延長し、延長フィン３２の半径方向のサイズは、上から下に向かって徐々に増加する。各延長フィン３２の下端部はすべて、環状部材３３に接続されている。延長フィン３２の内縁は弧状である。延長フィン３２は、ツイーターユニット２の内部部品を効果的に保護し、指などの異物が誤ってツイーターユニットに入り、ツイーターコーン２２などの内部部品を損傷するのを防ぐことができ、延長フィン３２はまた、より良い高周波分散を可能にすることができる。

【0042】

ホーン無し同軸スピーカー（比較例）と本実施例のホーン有り同軸スピーカーの周波数応答試験を行い、その試験結果を図７に示す。比較例の同軸スピーカーの構造は、ツイータユニットにホーンが設けられておらず、ツイータユニットとウーファユニットとの間にダストリングが接続されている以外、基本的に本実施例と同様である。図７の細線は比較例の同軸スピーカーにおけるツイータユニットの周波数応答曲線であり、図中の太線は本実施例の同軸スピーカーにおけるツイータユニットの周波数応答曲線である。この図から、本実施例の同軸スピーカーにおけるツイーターユニットの周波数応答曲線がよりバランスがとれていることが分かる。

【0043】

本実施例の同軸スピーカーのホーンの幾何学的形状は、スピーカーの音声再生品質や音場指向特性に直結する。従来の経験的方法に基づいた製品設計→試作サンプル→テスト→設計改善→再試作サンプル→再テストでホーンの幾何学的形状を設計すると、ホーンの問題は設計後期になってからでないと発見できず、開発サイクルが長く、コストが高い。業界では、有限要素に基づく数値シミュレーション分析方法を使用して、さまざまな形状のホーンの下でのスピーカーの音場応答をシミュレートおよび分析し始め、この方法は製品開発サイクルを大幅に短縮し、研究開発費を削減するが、それでも設計の繰り返しに依存し、最終的に理論的に最適なホーン形状を設計できないことがよくある。これに基づいて、本実施例は、次の問題を解決するホーン付き同軸スピーカーの形状最適化方法を提供する。 １．スピーカーホーンの従来の経験的設計方法には、長い開発サイクルと高コストの問題がある。２、一般的なスピーカーの音場シミュレーション分析方法に頼って、理論的に最適なホーン幾何学的形状を設計することはしばしば困難である。

【0044】

上記の同軸スピーカーのツイーターを例に取り、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ５．５を使用してホーン形状の設計を最適化し、ホーンの最適化された設計結果を直接提供する。図８は該形状最適化方法のフローチャートであり、主に以下のステップを含む。
ステップ１：この同軸スピーカーのツィーターユニットは軸対称構造を持っているため、計算を容易にするために、最初にＣＯＭＳＯＬソフトウェアで２Ｄ軸対称分析環境を選択し、次に「音響と固体の相互作用、周波数領域」物理場インターフェースを選択し、３場結合の周波数領域分析を行うため、最終的に「周波数領域研究」が選択される。
ステップ２：ＣＯＭＳＯＬソフトウェアを使用して、ツイーターユニット、周囲の空気領域、およびウーファーユニットのダイヤフラムの２Ｄ軸対称幾何学的モデルを確立し、図 ９ の矢印で示された太い線で示されているように、パラメトリック３次ベジエ曲線を使用して、ホーン輪郭の幾何学的モデルを確立する。幾何学的モデルの説明は次のとおりである：（１）ツイーターユニットの磁気回路システムは有限要素計算には関与せず、硬い音場境界としてのみ扱われ、必要な磁気回路システムの駆動力係数と基本インピーダンス周波数応答曲線は、追加のシミュレーション分析または測定によって取得できる。（２） ウーファーユニットのダイヤフラムも有限要素計算に関与せず、硬い音場境界としてのみ扱われる。（３）暗い曲線で表される３次ベジエ曲線がホーン輪郭で、曲線の２つの端点が固定されており、曲線の中央にある２つのノードの座標値が最適化パラメータとして使用される。
ステップ３：関数、パラメータ、および変数を定義し、以下を含む。（１）ボイス コイルの平均化関数を定義し、ｃｏｉｌ＿ａｖ という名前を付け、これは、ボイスコイル範囲内の逆起電力の算術平均値を定義するためのものである。（２）図１０と図１１に示すように、それぞれＺｂｒとＺｂｉというツイーターユニットの基本インピーダンスの実部と虚部の補間関数をインポートする。（３）３次ベジエ曲線の２つのノードの座標パラメータを（Ｐ１ｒ， Ｐ１ｚ）と（Ｐ２ｒ， Ｐ２ｚ）として定義しそれらの初期座標を（１３．１，－１０）［ｍｍ］と（１４，－０．５）［ ｍｍ］に設定する。（４）次のように６つの変数を定義する。
Ｚｂ：Ｚｂｒ（ｆｒｅｑ）＋ｉ＊Ｚｂｉ（ｆｒｅｑ）、
ＦＦ：ＢＬ＊（Ｖ０－ＢＬ＊ｃｏｉｌ＿ａｖ（ｓｏｌｉｄ．ｕ＿ｔＺ））／Ｚｂ、
Ｌｐ＿０：１０＊ｌｏｇ１０（０．５＊ａｂｓ（ｐｆａｒ（０，１［ｍ］）［Ｐａ］）＾２／ａｃｐｒ．ｐｒｅｆ＿ＳＰＬ＾２）、
Ｌｐ＿ｔｈｅ：１０＊ｌｏｇ１０（０．５＊ａｂｓ（ｐｆａｒ（０．７０７［ｍ］，０．７０７［ｍ］）［Ｐａ］）＾２／ａｃｐｒ．ｐｒｅｆ＿ＳＰＬ＾２）、
Ｌｐ＿ａｖｅ＿０：ｓｕｍ（ｗｉｔｈ（ｋａ，Ｌｐ＿０），ｋａ，１，２１）／２１、
Ｌｐ＿ａｖｅ＿ｔｈｅ：ｓｕｍ（ｗｉｔｈ（ｋａ，Ｌｐ＿ｔｈｅ），ｋａ，１，２１）／２１、
上記の式で、Ｚｂはツイーターユニットの基本インピーダンス、Ｚｂｒ（ｆｒｅｑ） は基本インピーダンスの実部、Ｚｂｉ（ｆｒｅｑ）は基本インピーダンスの虚部、ｉは虚数単位、ＦＦはボイスコイルの荷重、ＢＬはツイーターユニットの駆動力係数で、１．７１［Ｗｂ／ｍ］であり、Ｖ０はスピーカーの負荷電圧で、２．８２８［Ｖ］であり、ｓｏｌｉｄ．ｕ＿ｔＺはスピーカーボイスコイルの軸方向振動速度式、Ｌｐ＿０は、スピーカーの０°軸方向１メートルでの音圧レベル、ａｂｓ（）はモジュロ演算子、ｐｆａｒ（）は遠距離場音圧解決演算子であり、後続のステップで「遠距離場計算」を定義し、ａｃｐｒ．ｐｒｅｆ＿ＳＰＬは基準音圧で、２０マイクロパスカルであり、Ｌｐ＿ｔｈｅはスピーカーの軸から４５°、１メートル離れた位置での音圧レベル、Ｌｐ＿ａｖｅ＿０はスピーカーの軸方向から０°、１メートル離れた位置での平均音圧レベル、ｓｕｍ（）は加算演算子、 ｗｉｔｈ（）はソート演算子、ｋａはシリアル番号、Ｌｐ＿ａｖｅ＿ｔｈｅはスピーカーの軸から４５°、１メートルでの平均音圧レベルである。
ステップ４：「固体力学」物理場インターフェースを定義し、以下を含む。（１）図１２の矢印で示した太線に「固定制約」を設定する。（２）図１３の矢印で示したボイスコイルに「本体荷重」を設定し、荷重タイプを「総力」に設定し、ｚ軸方向にＦＦを入力する。（３）図１４の矢印で示されたコーンに「減衰」を設定し、減衰タイプを「等方性損失係数」に設定する。
ステップ５：「圧力音響、周波数領域」物理場インターフェースを定義し、以下を含む。（１）図１５の矢印で示した太線に「外場計算」を設定する。（２）図１６の矢印で示した太線に「内部硬い音場境界（壁）」を設定する。（３）図１７の矢印で示した領域に「完全一致層」を設定する。
ステップ６：図１８の矢印で示した太線で示すように、「音響構造境界」を定義する。
ステップ７：以下を含む材料パラメータを設定する。（１）空気材料パラメータはＣＯＭＳＯＬ材料データベースからのである。（２）ツイーターユニット振動システムの各部品の材料パラメータを以下の表１に示す。

【表1】

ステップ８：メッシュを分割し、以下を含む。（１）図１９の矢印で示した領域で「フリー三角メッシュ」を分割し、最大要素サイズを「３４３［ｍ］／２００００／５」に設定する。（２）図２０の矢印で示したで「マッピング」メッシュを分割し、分布数を「５」に設定し、最終的なメッシュ分割結果を以下の表２に示すように、

【表2】

ステップ９：周波数範囲を２０００Ｈｚ～２００００Ｈｚ、１／６オクターブに設定する。
ステップ１０：以下を含む最適化を設定する。（１）最適化アルゴリズムを「Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ」に設定する。（２）目的関数をＬｐ＿ａｖｅ＿０およびＬｐ＿ａｖｅ＿ｔｈｅに設定する（３）目的関数のタイプを「最大化」に設定する。（４）最適化パラメータの値の範囲を設定し、図２１に示す。
ステップ１１：「計算」ボタンを左クリックして、ソフトウェアインターフェースの右下隅に計算の進行状況を表示する。
ステップ１２：ソフトウェアインターフェースの右下隅にある表の列にある最適化パラメータの計算結果を読む：（Ｐ１ｒ，Ｐ１ｚ）＝（１３．５，－１０）、（Ｐ１ｒ，Ｐ１ｚ）＝（１６，－１）。
ステップ１３：最適化されたパラメータの計算結果に基づいて、ツイーターユニットのホーンの幾何学的形状を、図２２の矢印で示された領域のようにレンダリングする。

【0045】

上記の方法は、可動コイル型電気スピーカー、可動鉄型スピーカー、ＭＥＭＳスピーカーに適している。

【0046】

上記の方法は、スピーカー磁気回路システム、振動システム、および音場の３場結合シミュレーション分析技術に基づいており、最適化アルゴリズムによってホーンの最適なベジエ曲線形状を設計しているため、本開示は、スピーカーホーンを迅速かつコスト効率よく正確に最適化することで、スピーカーホーンの開発サイクルを短縮し、スピーカーの音響性能を向上させる。

【0047】

上述の実施例は、本開示の技術的思想および特徴を説明するためだけのものであり、好ましい実施例であり、その目的は、当業者が本開示の内容を理解し、それに応じてそれを実施できるようにすることであり、本開示の保護範囲を限定するものではない。

【符号の説明】

【0048】

１、ウーファーユニット
１１、フレーム
１２、ウーファーコーン
１３、ウーファーボイスコイル
１４、第１磁気回路システム
１４１、Ｔヨーク
１４２、磁性鋼
１４３、貫通穴
１１、信号入力線
１６、位置決めダンパー
２、ツイーターユニット
２１、シート
２２、ツイーターコーン
２２１、中央アーチ部
２２２、エッジアーチ部
２３、ツイーターボイスコイル
２４、第２磁気回路システム
２５、はんだラグ
３、ホーン
３１、アーチ部
３１０、環状の凹状空洞
３２、延長フィン
３３、環状部材
４、ダストリング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】