PCサラウンド検証用スピーカー製作 ~フロントチャンネル一体型スピーカー 測定編~

前回、PCサラウンド検証用スピーカー群のうち、フロントチャンネル側(左、センター、右)を担当する一体型スピーカーが完成しました。今回の記事では、周波数特性・インピーダンス特性の測定を行います。




PCサラウンド検証用フロントチャンネル一体型スピーカーTOPTONE(東京コーン紙製作所) F77G98-6
PCサラウンド検証用
フロントチャンネル一体型スピーカー
使用スピーカーユニット
TOPTONE(東京コーン紙製作所)
F77G98-6



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測定

使用ソフトウェア・測定環境

多機能 高精度 テスト信号発生ソフト WaveGene V1.50 efu氏
高速リアルタイム スペクトラムアナライザー WaveSpectra V1.51 efu氏
入力テスト信号:サインスイープ 20Hz~20kHz
マイク位置:ユニット軸上1m (周波数特性の場合のみ。詳細は周波数特性を参照。)
測定時間:20分


  • 周波数特性

    先ずは、周波数特性の測定結果を掲載します。

    このスピーカーは、左、センター、右の各チャンネルが一体型となった特殊なエンクロージャー構造となっているため、以下の4ケース測定を行いました。

    1. 左、センター、右スピーカー3本を並列接続した状態。マイク位置はセンタースピーカー軸上1m。
    2. センタースピーカーのみ。マイク位置はセンタースピーカー軸上1m。
    3. 左スピーカーのみ。マイク位置は左スピーカー軸上1m。
    4. 右スピーカーのみ。マイク位置は右スピーカー軸上1m。

    なお、チャンネル個別に測定しているケース(2~4)では、テスト信号を入力していない2本のスピーカー端子(+、-)をショートさせて、相互影響が最小になるようにしてあります。



    • [ケース1] 3本並列
    [ケース1]周波数特性(左、センター、右スピーカー3本並列接続)

    3本並列接続の測定結果です。

    おおむね50Hz~20kHzがフラットです。3本使用、f0:90Hzのユニットとはいえ、口径7.7cmのフルレンジにしては良く低域が伸びています。

    ほぼ同じ大きさの フォステクス FE87(口径8cmフルレンジ) は実効振動半径が3cmなので、実効振動面積は約28cm^2。3本でも85cm^2くらいなので、実質的には口径13cmのユニット1本相当といったところ。F77G98-6 は FE87 よりもわずかに小さいユニットですから、かなり無理をさせてしまっている感があります。

    50Hzにピークがあり、エンクロージャー全容量と第2ダクトの共振(共振周波数56Hz)がうまく動作しているようです。このグラフだけでは共振周波数56Hzの単なるバスレフ型となってしまったのか、それともダブルバスレフ型として動作しているのか判断がつきませんが、その点については、後ほどインピーダンス特性で見て行きます。

    周波数特性のみで判断するとクラシック向きという感じでしょうか?。ポップスを中心に聴くのであれば、100Hz付近にピークがある方が良いですね。

    200Hz~2kHzの帯域ではユニット単体で測定した結果を踏襲している感じです。1kHz付近を中心にしてレベルが高くなってますが、これはユニットオリジナルの特性です。この帯域が落ち込んでいるとボーカルが引っ込む恐れがあるのですが、その心配はなさそうです。

    ユニットオリジナルの特性では3kHz~16kHzの帯域がフラットだったのですが、3本のユニットを同一平面に並べて配置、同一信号を入力しているため相互干渉を起こしてしまっており、13kHz付近を中心に大きなディップが出来てしまっています。

    16kHz以上の帯域にあるピークは、ユニットオリジナル特性にも見られるものです。



    • [ケース2] センタースピーカーのみ
    [ケース2]周波数特性(センタースピーカのみ)

    センタースピーカーのみの測定結果です。

    200Hzより下の帯域がだら下がりになってしまっていますが、50Hzまで伸びているのは3本並列の場合と同様です。

    50Hzにピークがあります。しかし、口径7.7cmのユニットには荷が重いようで、65Hz付近が落ち込んでしまっています。この特性からすると、エンクロージャー全容量と第2ダクトの共振周波数は60Hz付近に設定した方が良さそうです。

    200Hzより上の帯域では、ほぼユニットオリジナルの特性ですね。センタースピーカー1本しか鳴らしていないため、13kHz付近のディップがなくなりフラットになっています。600Hz付近にオリジナルにはないピークがありますが、原因は不明です。



    • [ケース3] 左スピーカーのみ
    [ケース3]周波数特性(左スピーカのみ)

    左スピーカーのみの測定結果です。

    実は、この測定だけ他とは別の日に行っています。本当は一日で全ケースを終わらせたかったのですが・・・。当時、自宅の裏で工事をやっており(記事執筆時点でもまだやってますが・・・)自室に入り込むノイズがとても大きく、ノイズの少ない時間帯を見計らって測定せざるをえず、時間があまり取れませんでした。

    そのような理由により別の日に続きを行ったのですが、測定時に誤ってアンプのボリューム位置を他ケースより微妙に低く設定してしまったようです。そのため、測定結果も他ケースよりグラフのプロット位置が少々低くなっています。ご了承ください。

    50Hzにピークがあるのはセンタースピーカーのみのケースと同様ですが、ユニットが取り付けられている位置が違うためエンクロージャーの動作も変わってしまっているようで、センタースピーカーの場合よりも200Hz以下が更にだら下がりになっています。

    200Hz以上の帯域ではオリジナルの特性とおおむね同じですが、600Hz付近と、800Hz付近に原因不明のピークがありますね。高域ではセンタースピーカーの場合と同様に、13kHz付近のディップもなくフラットになっています。



    • [ケース4] 右スピーカーのみ
    [ケース4]周波数特性(右スピーカのみ)

    最後に、右スピーカーのみの測定結果です。

    左スピーカーのみの場合に比べると、高域のレベルが高くなっています(前述のとおり、左スピーカー測定時のボリューム設定を誤っているため)。

    右スピーカーに使用したユニットの個体差だと思いますが、高域が他のユニットに比べて少々荒れ気味でフラットではないですね。まあ、鳴らしこむことにより、だんだんと収まってくるかもしれませんし、気にするほどではないのですが。

    低域では50Hzのピークもあり、レベル差こそあれ左スピーカーのみの場合と似たようなだら下がりの特性です。

    200Hz以上の帯域では、左スピーカー同様オリジナルの特性とおおむね同じですが、こちらにも600Hz付近と、800Hz付近に原因不明のピークがありますね。また、3本並列であった相互干渉による13kHz付近のディップもありません。





  • インピーダンス特性

    次に、インピーダンス特性の測定結果を掲載します。

    インピーダンス特性も周波数特性の場合と同様に、以下の4ケース測定を行いました。

    1. 左、センター、右スピーカー3本を並列接続した状態。
    2. センタースピーカーのみ。
    3. 左スピーカーのみ。
    4. 右スピーカーのみ。

    周波数特性の場合同様、チャンネル個別に測定しているケースでは、テスト信号を入力していない他の2本のスピーカー端子(+、-)をショートしてあります。

    また、すべてのケースについて、グラフの0dB位置が200Ωになるように調整してあります。そのため、ピーク、ディップの位置の値(dB)を読み取れば、おおまかなインピーダンス値を算出することができます。



    構想・設計編でエンクロージャーの動作について考察を書いていますが、このエンクロージャーは見た目以上に複雑な動作をしていると想像されます。参考として、設計図を再掲載します。

    設計図
    設計図

    図のように、このエンクロージャーは左右対称構造で、内部が3つのキャビネット(小部屋)に分かれており、左キャビネットが約6.1リットル(左ユニット取付位置)、中央キャビネットが約4.3リットル(センターユニット取付位置)、右キャビネットが約6.1リットル(右ユニット取付位置)となっています。

    説明の都合上、中央を第1キャビネット、左右を第2キャビネットとすると、中央の第1キャビネットから断面積約27cm^2、長さ10cmの第1ダクトが左右に伸びており、それらが左右にある第2キャビネットに接続されています。左右の第2キャビネットには断面積約23cm^2、長さ20cmの第2ダクトが1つづついている構造になっています。



    • [ケース1] 3本並列
    [ケース1]インピーダンス特性(左、センター、右スピーカー3本並列接続)

    先ずは、3本並列接続した状態のインピーダンス特性を掲載します。

    なにやら複雑な形のグラフになっており、ピーク、ディップの位置は以下のとおりでした。

    ピーク

    • 49.1Hz
    • 96.9Hz
    • 144.7Hz
    • 178.3Hz

    ディップ

    • 55.2Hz
    • 103.0Hz

    このグラフでは3本のユニット個々に表れるインピーダンス特性(グラフ曲線)のピークやディップが、並列接続されているので合成されてしまっています。そのため、よけいに複雑なグラフとなっています。

    公証インピーダンスが8Ωのユニットを3本並列に接続しているため、グラフのプロット位置が低空飛行していますね。400Hz付近が-32dBくらいなので約5Ω。8Ωを単純に並列接続すると2.7Ωくらいなので、計算したら意外と高い値でした。まあ、キャリブレーションがあまり正確ではないので、参考程度にご覧ください。


    というわけで、ユニット個別の測定を行います。


    • [ケース2] センタースピーカーのみ
    等価エンクロージャー(センタースピーカー)
    等価エンクロージャー(センタースピーカー)

    構想・設計編で掲載した、センタースピーカーから見たエンクロージャー動作についての考察です。説明のために再掲載します。

    このエンクロージャーをセンタースピーカー視点でとらえると、上図のようなダブルバスレフ型エンクロージャーと等価と考えることができます。

    設計図の表記と区別するために、等価エンクロージャーの第1キャビネットを等価 第1キャビネット、第1ダクトを等価 第1ダクト、第2キャビネットを等価 第2キャビネット、第2ダクトを等価 第2ダクトとすると・・・、

    • 等価 第1キャビネット
      センターユニットが取り付けられている中央約4.3リットルのキャビネット(設計図:第1キャビネット)がそのまま対応します。

    • 等価 第1ダクト
      等価 第1キャビネットから左右に分かれて2本あるダクト(設計図:第1ダクト・左右)を合成した断面積約54cm^2、長さ10cmの1本のダクトと考えることができます。

    • 等価 第2キャビネット
      左右に1つづつ、計2個ある約6.1リットルのキャビネット(設計図:第2キャビネット・左右)が合成された、約12.2リットルの1つのキャビネットと考えることができます。

    • 等価 第2ダクト
      左右のキャビネット(設計図:第2キャビネット・左右)に1つづつ計2本ある断面積が約23cm^2、長さが20cmのダクト(設計図:第2ダクト・左右)が合成された、断面積が約46cm^2、長さが20cmの1本のダクトと考えることができます。


    この等価ダブルバスレフ型キャビネットの動作を計算すると以下となります。
    • 等価 第1キャビネット等価 第1ダクトによる共振周波数:約153Hz
    • 全容量16.5リットル(等価 第1キャビネット等価 第2キャビネット)と等価 第2ダクトによる共振周波数:約56Hz



    [補足]ダブルバスレフ型エンクロージャーのインピーダンス特性(グラフ曲線)の見方

    ダブルバスレフ型エンクロージャー インピーダンス特性(グラフ曲線)の見方

    ダブルバスレフ型エンクロージャーのインピーダンス特性は上の図のように、山が3つ、谷が2つの特徴的な形になります。周波数の高いほうから順に、

    • ピーク:fc1, fc2, fc3
    • ディップ:fd1, fd2

    とすると、

    ピーク

    • fc1:第1キャビネット内の空気バネにより、ユニットのf0が上昇したもの。
    • fc2:第1キャビネット内の空気質量がユニットのm0に加算されて、f0が下がったもの。
    • fc3:第1キャビネット、第2キャビネット内の空気質量合計がユニットのm0に加算されて、f0が下がったもの。


    ディップ

    • fd1:第1キャビネット、第1ダクトによる共振。
    • fd2:第1キャビネット、第2キャビネットを合計した内容積と第2ダクトによる共振。


    となります。

    第2キャビネット、第2ダクトによる共振も発生しているはずですが、ユニットとは無関係に動作しているためインピーダンス特性には表れないようです。




    [ケース2]インピーダンス特性(センタースピーカーのみ)

    前置きが長くなってしましたが、センタースピーカーのみの場合のインピーダンス特性を掲載します。

    グラフより、ピーク、ディップを見て行くと・・・、

    ピーク

    • fc1:185.1Hz
    • fc2:130.5Hz
    • fc3:47.8Hz

    ディップ

    • fd1:160.2Hz
    • fd2:55.2Hz

    となっており、第1キャビネットと第1ダクトによる共振fd1が予想の153Hzより少々高い160.2Hzになっていますが、全容量と第2ダクトによる共振fd2は予想が56Hzなので、55.2Hzはなかなか良い値です。

    インピーダンス特性(グラフ曲線)からすると、やはりダブルバスレフ型に近い動作をしていると見て良さそうです。



    • [ケース3] 左スピーカーのみ
    [予想]等価エンクロージャー(左、右スピーカー)
    [予想]等価エンクロージャー(左、右スピーカー)

    続いて、動作がよくわからない左、右の各スピーカー視点での考察です。(構想・設計編より再掲載。)

    センタースピーカーの場合同様、左、右の各スピーカー視点で等価エンクロージャーを考えてみます。

    このエンクロージャーは内部が左右対称になっているため、左、右スピーカー個々の視点でとらえると、どちらのユニットも、上図のようなダブルバスレフ型と等価なエンクロージャーに取り付けられていると仮定できるのではないか?と考えました。

    • 等価 第1キャビネット
      左、右の各ユニットはどちらも約6.1リットルのキャビネット(設計図:第2キャビネット)に取り付けられているため、これを等価 第1キャビネットと仮定しました。


    • 等価 第1ダクト
      等価 第1キャビネット(約6.1リットル)には断面積が約23cm^2、長さが20cmのダクト(設計図:第2ダクト)と、断面積が約27cm^2、長さが10cmのダクト(設計図:第1ダクト)の計2本がついています。

      しかし、バスレフ型エンクロージャーの原形であるヘルムホルツの共鳴器は、1つの容器に2つ以上のダクトがついていたとしても(たとえ個々のダクト長、断面積が異なっていたとしても)、共振周波数が2つ以上現れるわけではなく、すべてのダクトが合成された1本のダクトがついているのと等価な動作となります(共振周波数は1つしか現れない)。

      そのため、等価 第1キャビネットについている2本のダクトを合成した、等価 第1ダクトの寸法を断面積が約50cm^2、長さが15cmと仮定しました。

      等価な1本のダクト寸法を計算をする場合、各ダクトの断面積がまちまちであっても長さがすべて同一であれば、長さには変化なし、断面積は各々の合計を計算すれば良いのですが、今回の場合では長さも面積も異なるため、計算方法が私にはよく分かりませんでした(汗)。しかたないので、断面積は合計値、長さは平均値で算出できると仮定しました。なので、かなり適当です(汗々)。


    • 等価 第2キャビネット
      残りの約4.3リットル(設計図:第1キャビネット)と約6.1リットル(設計図:第2キャビネット)を合計した10.4リットルを、等価 第2キャビネットと仮定しました。


    • 等価 第2ダクト
      センタースピーカーの場合と同じ断面積が約46cm^2、長さが20cm(設計図:第2ダクト左右2本を合成したもの)となると仮定しました。


    この等価ダブルバスレフ型キャビネットの動作を計算すると以下となります。
    • 等価 第1キャビネット等価 第1ダクトによる共振周波数:約105Hz
    • 全容量16.5リットル(等価 第1キャビネット等価 第2キャビネット)と等価 第2ダクトによる共振周波数:約56Hz




    [ケース3]インピーダンス特性(左スピーカーのみ)

    というわけで、左スピーカーのみの場合のインピーダンス特性です。

    グラフより、ピーク、ディップを見て行くと・・・、

    ピーク

    • fc1:139.3Hz
    • fc2:97.6Hz
    • fc3:49.1Hz

    ディップ

    • fd1:105.0Hz
    • fd2:53.2Hz

    となりました。

    第1キャビネットと第1ダクトによる共振fd1は予想は105Hzで、実測が105.0Hz!。なぜかぴったりの値になってしまいました(笑)。全容量と第2ダクトによる共振fd2は予想が56Hzなので、実測の53.2Hzもなかなか良い値です。

    インピーダンス特性(グラフ曲線)からすると、こちらもダブルバスレフ型に近い動作をしていると見て良いのかな?。また、等価ダクトの計算方法もおおむねあっていると考えて良いのでしょうか?。

    等価第1エンクロージャーについている2本のダクトのうち、1本がエンクロージャー外に直接接続されているという、ダブルバスレフ型にあるまじき奇妙な構造ですが、こんな構造でもダブルバスレフ型に近い動作になるようですね。

    左、右スピーカーの場合、ユニット真後ろにダクトが付いているため、共振周波数は計算値より少々高めに出るのでは?と想像していたのですが、それは見当違いでした(汗)。



    • [ケース4] 右スピーカーのみ
    [ケース4]インピーダンス特性(右スピーカーのみ)

    最後に、右スピーカーのみの場合のインピーダンス特性です。

    グラフより、ピーク、ディップを見て行くと・・・、

    ピーク

    • fc1:153.4Hz
    • fc2:96.9Hz
    • fc3:49.8Hz

    ディップ

    • fd1:103.6Hz
    • fd2:53.2Hz

    となりました。

    左スピーカーに比べて、fd1:105.0Hz -> 103.6Hzと少々下がっていますが、fd2は同一なので、おおむね同じような動作をしていると考えて良さそうです。


次回はミュージックソースを使用した試聴を行う予定です。 次 -> フロントチャンネル一体型スピーカー (試聴編)




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