PCサラウンド検証用スピーカー製作 ~サブウーハー 改造編~

前回、プッシュプルウーハー型(PPW)サブウーハーの周波数特性・インピーダンス特性の測定を行いました。その結果、ユニット前後にある2つのキャビネットが、両方ともあまり共振していないことが分かりました。


今回の記事ではダメ元(笑)で共振を強くなるような改造を行い、低音増強効果の改善を試みます。まあ、実のところ大失敗というほど低音の増強効果がない訳じゃないんですけどね。要は、「改造したかっただけ」です(笑)。



TOPTONE(東京コーン紙製作所) F77G98-6プッシュプルウーハー型サブウーハー
使用スピーカーユニット
TOPTONE(東京コーン紙製作所)
F77G98-6
プッシュプルウーハー型
サブウーハー




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原因の考察

先ずは、PPWサブウーハーの共振が弱くなってしまった原因を考察してみます。

参考資料として、今回作成したPPWサブウーハーの構造図を再掲載します。

PPWサブウーハーエンクロージャー構造図
PPWサブウーハーエンクロージャー構造図




設計・製作過程を思い出して、共振が弱くなってしまった原因を思いつく限り列挙してみると・・・、
  • 吸音材入れ過ぎによる、キャビネット内の空気バネ力低下

    バフレフ型エンクロージャーの原理(ヘルムホルツの共鳴器)
    バフレフ型エンクロージャーの原理(ヘルムホルツの共鳴器)


    バフレフ型エンクロージャーの動作原理であるヘルムホルツの共鳴器は、よくバネとおもりのモデルで説明されますが、容器に吸音材を入れることはバネの張力を弱くすることと等価のため、当然ながら共振し難くなります。

    バスレフ型スピーカーの場合、ユニット直接放射の中高域とダクトから放射される低域が2wayスピーカーのようにフラットに接続される方が良いため、ダクトからの低域放射量が多い場合の対策として、吸音材を適量入れて癖を抑えたりします。

    しかし、PPWの場合はダクトからの低域放射のみを利用するため、ローパスフィルターで中高域をきれいにカットしてしまう場合などは特に、基本は吸音材少なめに、場合によってはゼロでも問題ないのかもしれません。

    今回の場合、サラウンドLFE(低域効果)チャンネルでの使用を想定しているため、入力される信号には低域成分しか含まれないので、本来は吸音材を少なめで良いのですが、サブウーハーにおける吸音材量が動作にどのような影響を及ぼすのかを調査したかったのと、キャビネット内で発生する定常波を抑える目的で多めに入れてみました。まあ、その結果として共振し難くなるという、ある意味当然のことが分かった訳ですが・・・(汗)。



  • ダクト折り返しによる、気流抵抗の上昇(第2ダクトのみ)

    第2キャビネットに付いている第2ダクト(長ダクト)は長さが40cm位ある上に、ダクト入口と出口付近が90度折れ曲がっており、このため気流抵抗が上昇、共振をし難くしている可能性があります。

    設計時では、折れ曲がった角に三角棒を貼り付けてダクトパイプをスムーズに整形することにより、気流抵抗の上昇を抑えることも考えたのですが、三角棒があまり入手出来なかった(近所のダイソーに在庫がない)ため、貼り付けを見送っています。



  • キャビネットの容量不足

    今回作成したPPWサブウーハーでは、口径7.7cmのフルレンジユニット TOPTONE(東京コーン紙製作所)F77G98-6を8本使用しており、合計の実効振動面積は口径20cmのユニット1本を少々上回るサイズになっています。そのため、16リットルではキャビネット容量が不足している可能性があります。

    理想を言うと、2つあるキャビネット1つ当たりの容量を20リットル以上(計40リットル以上)にしたかったのですが、エンクロージャーサイズが大きくなり過ぎるため、あきらめました。



  • 第2キャビネットの構造

    第2キャビネットには補強のため、ユニット取付け板と直角に補強板が2枚貼り付いており、この板の影響でキャビネット内の気流抵抗が上昇、共振が抑えられている可能性があります。

    設計時では、補強板の間隔が各々のユニット実効振動面積よりも広いため、問題はないと思ったのですが、補強板がない第1キャビネットに比べると気流抵抗が高いのは否めないと思います。



  • ユニットの駆動力不足

    バスレフ型エンクロージャー(ヘルムホルツの共鳴器)は受動態のため、共鳴器をドライブするのは当然ながらスピーカーユニットになります。そのため、ユニットの駆動力が高いほうが共振を強く起こすことができます。

    バスレフ型スピーカーの場合、駆動力の高いフルレンジユニット(Q0の低いユニット)を使用すると中高域の能率が高くなり過ぎて、ダクトからの低域放射だけでは低域の補強ができないため、ハイ上がりの特性になってしまいますが、PPWの場合は中高域は使わないため、ユニット駆動力が高いほうが有利になります。

    ただし、フルレンジは中高域も再生する必要があるため、振動板が薄く軽く出来ているので、PPWのようにエンクロージャー内にユニットを取り付ける構造の場合、空気バネが強く働くため振動板の強度的に不向きだと思われます。

    今回は実験なので安価なフルレンジを使用していますが、本格的にPPWを作る場合、振動板が重くて丈夫で駆動力の高いウーハーユニット(例えばFOSTEX FW168N)の方が良いと思います。まあ、F77G98-6はフルレンジですが、ほぼ同口径のFOSTEX FE83Enように高能率ではないことからすると、フルレンジにしては振動板が重く丈夫な方ではあるとは思いますが。


・・・ざっと考えられる原因を挙げてみました。



エンクロージャーに直接手を入れる必要があるダクトの改造、キャビネット容量増加、第2キャビネット補強板除去は、既に完成してしまっている今から行うのはちょっと厳しい(ボンドでガチガチに固めちゃったんです・・・)ので、出来るとしたら、吸音材の除去、ユニット駆動力強化当たりでしょうか?。

  • 吸音材の除去

    キャビネットのふたを開ければ可能ですが、ふたのすぐ内側にある第1キャビネットはともかく、ユニット取り付け板の向こう側にある第2キャビネットにある吸音材を取り出すのは容易ではありません。また、共振の弱さが問題なのは第2キャビネットの方で、第1キャビネットは今のままでも特に問題はないと言うこともあります。



  • ユニット駆動力強化

    磁気回路の裏にキャンセルマグネットを貼り付ければ一応できるようです。今回は一番簡単にできそうな、ユニット駆動力強化をやってみることにしました。

    ユニット駆動力強化方法については、長岡鉄男氏 著書をヒントにしています。どんな内容かと言うと、違いが磁気回路の構造のみと思われるFOSTEX FE83と、その防磁型バージョンであるFE87の特徴についての説明です。

    それによると、FE83(非防磁型なのでシングルマグネット)のマグネット重量は140g、FE87はメイン、キャンセル合わせて76.4gになっており、FE87はダブルマグネットであるにもかかわらずFE83に比べ、マグネット重量が約55%に減量されています。

    しかし、出力音圧レベルの比較ではFE87はFE83に対して-2dB(約80%)程度の減少に収まっており、マグネット重量の減少量に比べて、音圧レベルはそれほど減少していません。この理由について長岡氏は、キャンセルマグネットの効果により磁気回路の磁束密度が上昇するためと説明されていました。

    そのような記事を読んでいたこともあり、非防磁型ユニットに限り、キャンセルマグネットを取り付ければ手軽に駆動力強化が出来ると思っていました。


    コーン型スピーカーユニットの構造キャンセルマグネット
    コーン型スピーカーユニットの構造キャンセルマグネット



    実は以前、キャンセルマグネットを貼り付ける方法によるユニット駆動力強化実験を、こちらの記事で行っています。

    この実験では試聴レベルの確認を一応行っており、あくまで所感ですが効果はあるように感じました。しかし、周波数特性・インピーダンス特性グラフの改造前・後比較のような、客観的な視点での確認はできていない状態でした。

    また、この記事を読んで下さった方からのコメントで、キャンセルマグネットを取り付けたところで磁気回路に付いているメインマグネットに変化はないのだから、メインマグネットの総磁束は同じ。よって、ギャップを通る磁束密度にも変化はないため、ユニット駆動力強化はされないのではないか?という指摘があり、いつかは客観的な視点での確認を行いたいと思っていました。

    それとは別に、下記リンク「株式会社 二六製作所」のオンラインショップでマグネットの小売を行っていることを発見、個人でも1個単位から豊富な種類のマグネットを比較的安価に購入できることを知り、良い機会なので実験をしてみることにしました。
    MAGNET WORLD (株)二六製作所 (公式HP)MAGNET WORLD (株)二六製作所 (公式HP)
    26ショップ (株)二六製作所オンラインショップ26ショップ (株)二六製作所オンラインショップ




エンクロージャーの改造

ここからは、改造作業の様子を掲載します。エンクロージャー改造なんて言っていますが、実のところ改造対象はエンクロージャーではなく、ユニットでしたね・・・(汗)。吸音材の減量まで行うと、ユニット駆動力強化前・後の純粋な比較ができなくなってしまうため、今回は手をつけていません。


リングマグネットφ60xφ32x10tmm その1

上でリンクを掲載した、(株)二六製作所オンラインショップでφ60xφ32x10tmmのリングマグネットを8個購入してみました。リングマグネットはご覧のような緩衝材に巻かれた状態のものが、更に緩衝材入りの段ボール箱に入った状態で送られてきました。




リングマグネットφ60xφ32x10tmm その2

緩衝材を開封した様子。なんか、ロールケーキとか、北海道苫小牧市の銘菓「よいとまけ」みたいでちょっとおいしそうに見えてしまいました(笑)。実際は非常に硬いし、色も全然違いますが・・・(汗)。




リングマグネットφ60xφ32x10tmm その3

リングマグネットφ60xφ32x10tmm 1枚の拡大写真です。




リングマグネットφ60xφ32x10tmm その4

合計8枚購入しました。




マグネット仮止め

マグネットの仮止めと言うより、リハーサルと言った方が良いのかな?。メインマグネットと反発する方向に貼り付ける必要があるため、マグネットの極性を調べています。

このサイズのマグネットの場合、メインマグネットからある程度離れた状態では反発しますが、更に近づけて、ヨーク(磁気回路裏の円形鉄板)に触れてしまえば貼り付いてしまって全く動かなくなりますね。

以前、キャンセルマグネットの貼り付けを行ったときはマグネットサイズがこれよりも大きかったためか、ヨークに触れていても反発力で動いてしまいました。そのため、接着剤が完全に硬化するまでクランプで仮固定する必要がありました。




貼り付けた様子

接着剤ですべてのユニットにリングマグネットを貼り付けた様子です。以前はエポキシ接着剤を使用しましたが、今回は反発力がそれほど強くないため、よく利用している「セメダインスーパーX クリア」を使いました。有機溶剤を使っていない接着剤なので安全です。

磁気回路のヨークにセメダインスーパーXを薄く塗布して、5~10分ほど待つと半乾きの状態になるので、リングマグネットを貼り付けて、強く押さえつけます。後は24時間放置すれば、しっかりと貼り付きました。




測定

ここからは、磁気回路強化前・後の周波数特性・インピーダンス特性の測定結果を掲載します。


測定方法・ケースは前回の測定編と全く同じにしました。

周波数特性は改造前・後のどちらの場合でも、アンプのボリューム位置を同じにして測定しています。インピーダンス特性は事前にグラフの0dB位置が200Ωになるようにキャリブレーションを行っています。

すべてのケースについて、改造前・後のグラフをオーバーラップしたものを掲載しています。測定環境をそろえているため、レベル差をグラフから直接読み取ることができます。


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)



  • 周波数特性
先ずは、周波数特性から。

改造前・後の違いは磁気回路だけなので、ユニット駆動力が強化されていれば音圧レベルが上昇します。そのため、グラフの描画位置が上に移動するはずです。


[周波数特性] PPW (前側)
[周波数特性] PPW (前側)
[周波数特性] PPW (前側) 改造前・後オーバーラップ
[周波数特性] PPW (前側) 改造前・後オーバーラップ

上のグラフが改造後の前面(第1ダクト側)にマイクに向けて測定した結果です。下のグラフは改造前・後の測定結果をオーバーラップさせたものです。赤線が改造後の特性、緑線が改造前の特性、黄線は両方のグラフが重なり合っている部分です。

下のオーバーラップグラフを中心に見ていくと、全体的に3~5dB(約1.4~1.8倍)程度音圧レベルが上がっています。




[周波数特性] PPW (後側)
[周波数特性] PPW (後側)
[周波数特性] PPW (後側) 改造前・後オーバーラップ
[周波数特性] PPW (後側) 改造前・後オーバーラップ

後側(第2ダクト側)にマイクに向けて測定した結果です。こちらについても、オーバーラップグラフを見ていくと、やはり全体的に3~5dB程度音圧レベルが上昇していますね。




[周波数特性] PPW (側面)
[周波数特性] PPW (側面)
[周波数特性] PPW (側面) 改造前・後オーバーラップ
[周波数特性] PPW (側面) 改造前・後オーバーラップ

側面(スピーカーターミナル側)にマイクに向けて測定した結果です。こちらも同様の結果ですね。




[周波数特性] PPW (側面・第2ダクトふさぐ)
[周波数特性] PPW (側面・第2ダクトふさぐ)
[周波数特性] PPW (側面・第2ダクトふさぐ) 改造前・後オーバーラップ
[周波数特性] PPW (側面・第2ダクトふさぐ) 改造前・後オーバーラップ

マイク位置は側面(スピーカーターミナル側)に固定した状態で、第2ダクト(長ダクト)をふさぎアコースティックスーパーウーハー(ASW)の動作に近づけて測定した結果です。こちらも同様の結果ですね。




[周波数特性] PPW (側面・第1ダクトふさぐ)
[周波数特性] PPW (側面・第1ダクトふさぐ)
[周波数特性] PPW (側面・第1ダクトふさぐ) 改造前・後オーバーラップ
[周波数特性] PPW (側面・第1ダクトふさぐ) 改造前・後オーバーラップ

条件は上のケースと同じで、第1ダクト(短ダクト)をふさいでASWの動作に近づけて測定したもの。こちらも同様の結果ですね。




  • インピーダンス特性
続いて、インピーダンス特性です。

改造によりユニット駆動力の強化がされていれば、改造前よりもユニット振動系の共振周波数において、コーン振幅を抑える方向に電磁制動がより強く働くため、グラフのピークが高くなるはずです。


[インピーダンス特性] PPW
[インピーダンス特性] PPW
[インピーダンス特性] PPW 改造前・後オーバーラップ
[インピーダンス特性] PPW 改造前・後オーバーラップ

インピーダンス特性についても、グラフの見方は周波数特性と一緒です。下のオーバーラップグラフを見ていくと、共振周波数に変化はありませんが、ピークの高さは改造後の方が高くなっていますね。




[インピーダンス特性] PPW (第2ダクトをふさいだ状態)
[インピーダンス特性] PPW (第2ダクトをふさいだ状態)
[インピーダンス特性] PPW (第2ダクトをふさいだ状態) 改造前・後オーバーラップ
[インピーダンス特性] PPW (第2ダクトをふさいだ状態) 改造前・後オーバーラップ

第2ダクト(長ダクト)をふさいでASWに動作を近づけて測定したものです。下のオーバーラップグラフを見て行くと、やはり共振周波数には変化はなく、ピークが高くなっていますね。




[インピーダンス特性] PPW (第1ダクトをふさいだ状態)
[インピーダンス特性] PPW (第1ダクトをふさいだ状態)
[インピーダンス特性] PPW (第1ダクトをふさいだ状態) 改造前・後オーバーラップ
[インピーダンス特性] PPW (第1ダクトをふさいだ状態) 改造前・後オーバーラップ

最後に第1ダクト(短ダクト)をふさいでASWに動作を近づけて測定したものです。オーバーラップグラフを見て行くと、やはり共振周波数には変化はなく、ピークが高くなっていますが、30Hz付近のピークは思ったより高さに変化がないですね。これを改善するには吸音材を取り出すしかないかなぁ?。




まとめ

周波数特性の測定結果により音圧レベルが上昇すること、また、インピーダンス特性の測定結果によりユニット共振系の共振周波数ピークが上昇することが改造前・後で確認できました。

前述したFOSTEXの防磁型ユニットの磁気回路の件もあるので、キャンセルマグネットを磁気回路に貼り付けることにより、ユニット駆動力を上げることが出来ると言って良さそうです。


ここからは、キャンセルマグネットを貼り付けることにより、ユニット磁気回路内の磁束がどのように変化するのかを考察してみます。

ご注意!

このブログは素人が適当に書いているものです。内容については、参考程度にされますようお願いします。



  • リングマグネットのみの磁力線

リングマグネットのみの磁力線

先ず、リング型フェライトマグネットのみの場合。リングマグネットは、上半分がS極、下半分がN極になっており、図のようにN極からS極に向けて、リングマグネットを包むように磁力線が伸びていると考えられます。



  • 外磁形磁気回路の磁力線

外磁形磁気回路の磁力線

続いて、外磁形磁気回路の磁力線の場合。プレート、センターポール、ヨークは磁気抵抗の低い素材で出来ているため、大多数の磁束は磁気回路内を通りますが、構造的な要因や磁気回路が飽和状態に近い場合、外に磁束が漏れ出します。



  • 外磁形磁気回路+キャンセルマグネットの磁力線

外磁形磁気回路+キャンセルマグネットの磁力線

最後に、キャンセルマグネットを外磁形磁気回路に反発する向きに貼り付けた場合。下側(ヨーク側)に漏れ出した磁束がキャンセルマグネットの反発力で強引に磁気回路に戻ります。

この影響により、キャンセルマグネットが無かった場合では磁気回路ギャップ部を通過しなかった磁束が追加されるため、結果としてギャップ部の磁束密度が上昇するということになるのでしょうか?。

この理屈だと現実ではフレームが干渉して不可能ですが、上側(プレート側)にもキャンセルマグネットを貼り付ければ上側に逃げている磁束も磁気回路に戻せるため、更にギャップ磁束密度を増加させるが出来そうですね。

キャンセルマグネットを取り付けることにより磁気回路を強化できることは、今回の実験で言えそうですが、結局のところ原理は良くわかりませんでした・・・(汗)。


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Re: 磁力線の変化」

磨仏様

コメントありがとうございます。


ブログを拝見させて頂きました。これは、以前Stereo誌に付録したフルレンジユニットキットFOSTEX P-650の磁気回路改造をテーマにしている記事なんですね。

磨仏様のブログ記事で説明されている通り、フルレンジユニットではやみくもに磁気回路を強化してしまうと、中高域の音圧レベルが上昇、f0では電磁制動力が強く働くので共振が抑えられコーン振幅も低下、結局音圧レベルも低下、ユニット全体としてのf特はハイ上がりで低音が出なくなってしまうため、使用するエンクロージャーに合ったユニット設計が必要です。


私の記事の場合、事情が少々違いまして、フルレンジユニットを使ってはいますが、エンクロージャーがPPW方式のサブウーハーなので中高域はカットしてしまうので関係がなく、低域はヘルムホルツの共鳴器をドライブすることで再生する構造の為、ユニット駆動力が高いほうが共鳴器のドライブ能力も高まるため有利となります。そのための磁気回路強化実験となっています。


最後に、返信が遅くなってしまい申し訳ありませんでした。

磁力線の変化」

面白い実験ですね。
僕の考察も参考にしてみてください。
http://mixi.jp/view_diary.pl?id=1823455808&owner_id=30908154
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