音コミュニケーションを支える薄型ホーン

Compact Horn for Comfortable Acoustic Communication

1W100272-1 鈴木　絢子 指導教員 山﨑 芳男 教授SUZUKI Ayako Prof. YAMASAKI Yoshio

概要：ホーンは電気を使わず音の放射の効率を上げることができ，放射だけでなく受音にも用いることができる．一

方で，補聴器は電気を使うのでハウリングを起こすことがあり，電池交換の手間もかかる．本研究では，補聴を目的

とした薄型ホーンを提案する．性能を上げようとすると長く大きくなってしまうホーンを折り曲げることで持ち運び

を容易にした．またホーンに指向性があることを利用して，ホーンを向けることにより所望の会話を聞きとりやすく

する．薄型ホーンを製作し，ストレートホーンとの受音の周波数特性の比較実験を行った．また，境界要素法による

シミュレーションを行うことで，折り曲げることによる影響の検証と補聴に適したホーンの形状の検討をした．

キーワード：ホーン，コミュニケーション，パッシブ，境界要素法

Keywords: horn, communication, passive, boundary element method

1. ま え が き

ホーンは電気を使わず音の放射の効率を上げることが

できる．蓄音機が発明された当初は，再生時だけでなく

録音する際にも用いられていたようにホーンは放射だけ

でなく受音にも用いることができる．補聴器の始まりに

もホーンが使われていたが，電子機器の技術が進歩し小

型化したことで補聴にはほとんど用いられなくなった．

補聴器は便利になったものの，電気的な増幅によりハ

ウリングすることがあり，電池交換の手間もかかる．そ

こで本研究では補聴の手段として薄型ホーンを考える．

ホーンは性能を上げようとすると長く大きくなり持ち運

びにくいので，これを何度も折り曲げることで解決する．

電気を使わず持ち運びやすく，またホーンに指向性があ

ることを利用して，ホーンを向けることにより所望の会

話を聞きとりやすくする補聴手段を提案する．

2. ホーンの理論

ホーンとは断面積が連続的に変化している音響管のこ

とである．代表的なホーンの形としてエクスポネンシャ

ルホーンがある．喉の断面積を S0，喉から xでの断面積

を Sx とすると

Sx = S0emx (1)

μ=1μ=2

μ=∞

μ=4

μ=8喉 :So

開口端 :Sl

Sx =

S0

(1 +

(µ√

Sl/S0 − 1)

xl

)µ

図―1 ベッセルホーン群

開口端 :Sl喉 :So

T=∞

T=5

T=1

T=0

T=2

Sx =

S0 (coshmx+ T sinhmx)

図―2 ハイパボリックホーン群

と表せ，断面積を指数関数的に増大させることで効率の

良い放射ができる．ただしカットオフ周波数 fc 以下で

はホーンのインピーダンスが虚数のみとなり音波が伝播

しない．mを広がり定数，cを音速とするとカットオフ

周波数 fc は

fc =mc

4π(2)

となる．x のべき乗で表わされるホーン群をベッセル

ホーン群といい，断面図を図―1に示す．ホーンの長さ

を l，開口端での面積を Sl，形状を決めるパラメータを

0 <= µ < ∞とすると

Sx = S0

(1 +

(µ√

Sl/S0 − 1) x

l

)µ

(3)

と表せる．また，双曲線で表わされるホーン群をハイパ

ボリックホーン群といい，断面図を図―2に示す．形状

を決めるパラメータを 0 <= T < ∞とすると

Sx = S0 (coshmx+ T sinhmx) (4)

と表わされる．[1], [2]．

3. 薄型ホーン

3. 1 薄型化を目指した折り曲げホーンの製作

薄く短いホーンを提案し 3D プリンタ (Stratasys 製

u-Print)で折り曲げホーンを断面積が増大するように設

計し，製作した．喉は半径 8 mm，開口は半径 83 mmで

ある．高さは 330 mmのものを折り返すことで 98 mm

に小さくすることができた．カットオフ周波数は 382 Hz

である．

3. 2 受 音 実 験

ストレートホーンと折り曲げホーンの受音の周波数特

性の比較実験を行った．使用したストレートホーンを図

―3に示す．ホーンの開口端正面にマイクロホンを置き、

開口端:半径90mm

開口端:83mm

高さ98mm 喉:半径8mm

ストレートホーン

折り曲げホーン

高さ330mm

図―3 製作した折り曲げホーンとストレートホーンの外観

開口端:半径83mm

高さ98mm

喉:半径8mm

図―4 折り曲げホーンの断面

表―1 測 定 条 件

場所 早稲田大学 55 号館 N 棟

地下 1 階 07 室マルチメディアスタジオ

マイクロホン BK4006

スピーカ YAMAHA MSP5 STUDIO

使用音源 TSP

校正信号 1 kHz 正弦波

ホーンの材質 ABS 樹脂

距離を変えて測定を行った．測定条件を表―1に、ホー

ン開口端とマイクロホンとの距離 1 m での測定結果を

図―5示す． 結果を図―5に示す．ホーンがない状態に

比べ折り曲げホーンでは 20～30 dBほど音圧が上昇した

が，ストレートホーンに比べ 6 dBほど音圧が低いこと

が確認できる．

ストレートホーンより折り曲げホーンの方が音圧が低

いことについては，開口端の面積がストレートホーンに

比べ折り曲げホーンの方が 15 ％ほど小さいことや，折

り曲げたことにより音の反射が生じ，ホーン開口端から

外部へ放出され減衰した可能性が考えられる．また 10

kHz付近で大きな音圧の低下が見られるが，ホーン内部

におけるわずかな経路差などが原因であると考えられる．

10 2 10 3 10 440

50

60

70

80

90

100

110

120

130

Frequency [Hz]

SPL [dB]

ホーンなし折り曲げホーンストレートホーン

図―5 種類別周波数特性　スピーカ―ホーン開口端距離 1m

10 2 10 34

6

8

10

12

14

16

18

20

Frequency [Hz]

Gain [d

B]

μ=1μ=2μ=4μ=8μ=∞

μ=1μ=2

μ=∞

μ=4

μ=8喉 :So

開口端 :Sl

(a) ベッセルホーン群

10 2 10 34

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Frequency [Hz]

Gain [d

B]

T=0T=0.3T=0.6T=1

開口端 :Sl喉 :So

T=1

T=0

(b) ハイパボリックホーン群

図―6 周波数特性

4. シミュレーション

2次元の境界要素法を実装し補聴に適した形状の検討

を行った [3]．設定条件としてホーンを自由空間に置き，

観測点を喉の境界上，ホーンの開口端の正面 1 mに音源

を置いた．ホーンの開口端の長さは 180 mm，喉の長さ

は 16 mm，長さ 330 mmとした．

ベッセルホーンとハイパボリックホーンのホーン群を

用いて，図―1，図―2に示すようにホーンの形を変え，

利得の周波数特性を求めた．結果を図―6に示す．ベッ

セルホーン群に関しては 2 kHz付近までは µ = ∞のときであるエクスポネンシャルホーンの利得が最大であり

周波数特性は最も平坦である．ハイパボリックホーン群

に関してはエクスポネンシャルホーンと大きな差は見ら

れないが，低い周波数では T = 0のとき 1 dBほど高く

なった．

5. む す び

補聴器の代替手段として電気を使わず持ち運びが容易

な薄型ホーンを提案し，高さを 3 分の 1 にすることが

できた．受音実験の結果，折り曲げホーンはストレート

ホーンと比べ 6 dBほど音圧が小さかったが，ホーンがな

い状態に比べ 20～30 dBほどの音圧上昇が確認できた．

今後はより薄くすることを検討し折りげることの検証

を深める．

参 考 文 献[1] 伊藤毅，音響工学原論，コロナ社，1957．[2] 早坂寿雄，吉川昭吉郎著，音響振動論，丸善出版，1974．[3] 日本建築学会，はじめての音響数値シミュレーションプ

ログラミングガイド，コロナ社，2011．