サブウーファーの音の遅れを測る1~スピーカーの過渡応答を測定する

  サブウーファの音が遅れると言われるが、具体的に何秒遅れるのか、測定した事例が見あたらない。そこでトーンバーストを使った遅れの測定法について検討を行い、実際に測定した結果を得たのでご紹介する。

 

遅れをどうやって測定するか

 スピーカーの過渡応答を測定する方法にインパルス応答法が知られている。この方法はすべての周波数帯域の結果が同時に得られるが、低周波についてはあまり正確な結果が得られない。

 トーンバーストを使うと狙った周波数を十分なエネルギーと時間をかけて加振できるため、低周波の遅れを調べるのに役立つ。トーンバースト応答の立ち上がりカーブを1次遅れの応答曲線 Exp(-t/T)で近似してT (時定数)を求める。T は振幅が63.2%立ち上がるまでの時間と定義される。

 

 10波のトーンバースト。WaveGeneというソフトを使って作れる。トーンバーストの応答はICレコーダーがあれば記録できる。

 本記事ではこの測定にソニーのICレコーダー(ICD-UX523F)を使用した。

 

 トーンバースト応答波形に1次遅れの応答曲線 Exp(-t/T) を重ねてカーブフィットしたところ。両者が最もよく一致するときの T を求める。この作業はエクセルのワークシートを使うと簡単(後述のリンク参照)。

 実測例ではより分かりやすくするため正負反転したカーブを同時表示させている。

 

 

 

トーンバーストを使った測定の問題

 

・始点はどこか?

 トーンバースト応答の始点がよくわからないことがある。始点がわからないとカーブフィットできない。図の例で本当の始点は破線の先端付近とみられる。

 始点はスピーカーの非線形特性のほか、無駄時間(観測点に音が達するまでの時間遅れ+デジタル処理の遅れ)の影響でズレてしまう。無駄時間は評価の対象でないので排除しなければならない。

 

 上の図のように、何もない線上にあるはずの始点を求めるにはどうしたらよいのか。入力波形と同時に記録しても無駄時間や位相ズレなどで判然としないことが多い。

 そこで、終点を探してそこから逆算する。終点からトーンバーストの周期×波数を差し引いたところが始点だ。

 

 

 図は応答波形と入力波形を終点が一致するよう重ねてみたところ。2つの矢印はそれぞれ始点と終点を示す。
 終点は、そこを過ぎると波のピーク値や周期が変動する。図のように波形を重ねなくても、その特徴に注目して探せば見当がつく。

 

・始点と終点の波形の乱れ

 トーンバーストの始点と終点ではいろんな周波数が励起されるので、応答の振幅が小さい場合これが目立つ。こうなるとカーブフィットがやりずらい。バンドバスフィルタを通すと綺麗になるが、振幅に歪が出てカーブフィットできない。今後の検討課題。 

 

 

実測例

 

1. ヤマハ NS-SW210(サブウーファー)

 

 同社AVアンプ(RX-S600)で駆動。ポートの共鳴周波数に近い35Hzで20msの遅れがある。100Hzは11msで結構いい。

 

2.JBL S3100

 SONYデジタルアンプ(TA-F501)で駆動。f0cに近い50Hzで13ms、100Hzでは1msecと十分小さい。
 100Hzでは立ち上がりに比べ立下り(減衰側)の遅れが大きい。減衰側の遅れはアンプのダンピングファクターや駆動系の摩擦、減衰などによって決まると考えられる。減衰の遅れは音の余韻を作り出すので、必ずしも短いほど良いとは言えない。

(参考)S3100インピーダンス特性

 

3.BOSE101MM

 ポート共鳴周波数に近い50Hzで15ms、100Hzで2.5msec。300Hzを超えると1msを切る。
 1kHzは低周波の波が重なり判断が難しい。本測定法の適用範囲は1ms程度の遅れまで。高周波の応答はインパルス応答法の方が正確になる。

(参考)101MMインピーダンス特性

まとめ

 

(1)バスレフSPのf0c(システムの最低共振周波数)付近の音や、ポートから出る音は、それ以外の音域から出る音に対し、概ね10倍前後遅れる
 サブウーファの音が遅れる、違和感があると言われるのは、やはり「共鳴」で低音を出す仕組みが原因とみて間違いない。

(2)小型SPにサブウーファーを組み合わせでは、大型SPのような低音再生は望めない。

(3)口径の大きさは遅れにあまり関係しない。

 

 遅れに関してはやはり密閉式のスピーカーが有利。共鳴による音の遅れが原理的になく、f0cの共振もQが低くなだらか。昔から「締まりのある音」と評価されるゆえんだ。

 それと、一般に能率の低いスピーカーの過渡応答は悪い傾向がある。能率が高いスピーカーの音が生々しく聞こえるのは、過渡応答が大きな要因の一つなのかもしれない。

 

 

補足:無駄時間や群遅延との違い

 遅れを表す指標には、時定数のほかに「無駄時間」と「郡遅延」がある。
 「無駄時間」はスピーカーから発した音がマイクに到達するまでの遅れ時間。音楽業界では「レイテンシ」と呼んでいる。デジタル処理系では本質的に無駄時間が存在する。無駄時間は周波数に関係なく一定なので、鑑賞上問題になることはない。
 「郡遅延」とは位相特性の傾きである。連続ランダム信号を使って求めた郡遅延は「定常特性」であって過渡特性ではない。

 

<参考購入先>
サブウーファー 共鳴で低音を出すサブウーファに良質な低音再生は望めません
プロ用サブウーファー 低音再生は結局口径が大きいものほど有利です

<関連記事>
サブウーファーの音の遅れを測る2

<測定・データ処理の方法>
(1)WaveGeneでトーンバーストをつくり、これを再生してICレコーダーなどで記録する(WAV形式)
(2)spwave(フリーソフト)を使って波形を切り出し、データをテキスト形式で保存(拡張子をcsvやtxtに変えておく)する。
(3)テキストデーターをエクセルに読み込んで下記のワークシートにペーストする。
(4)開始時間や振幅を調整してカーブフィットする。

過渡特性計算ワークシートaudiocal3

(2017/8/25 測定データーを追加し大幅に加筆しました)