サブウーファーの音の遅れを測る2～インピーダンス特性から遅れを算出する

　前回はトーンバーストを使った遅れの測定結果をご紹介した^[3]。この方法は任意の周波数の遅れを測れるが、ボンボン不快に響く低音は、遅れが最も大きい周波数が目立った結果。私たちが知りたいのは、その遅れの最大値ではないだろうか。そこで、今回はこれを正確に測る方法を検討した。

スピーカーのインピーダンス特性

　スピーカーの遅れは、最低共振周数、バスレフポートの共鳴周波数のピークのところで大きくなる。そこでまず、これらの周波数を知る必要がある。これらの周波数はインピーダンス特性に表れるので、最初にインピーダンス特性を測定する。

　グラフはJBL S3100のインピーダンス特性の測定結果（駆動アンプ TA-F501)。

　このようなインピーダンス特性は、抵抗１本とICレコーダーがあれば測定できる（インピーダンス測定法は別の記事にまとめた。後述のリンク参照）。

　グラフには最低共振周数f0cとバスレフポートの共鳴周波数fdの２つの山が表れている。

　最低共振周数の遅れは、インピーダンス特性のカーブから次に説明する式を使って計算できる。

最低共振周波数の遅れを計算する方法

　最低共振周数をf0cとすると、そのピークから-3dB(約３割)下がったところの周波数幅Δfを調べ、次の式に代入することで機械系の減衰比 ζm や共振倍率Qmが求まる（ハーフパワー法）。

ζm＝Δf／(2･f0c)　　　(1)

Qm=1/(2･ζm)　　　(2)

但し、ζmが0.1を超えると誤差が大きくなる^[1]。この場合は理論曲線と重ねてカーブフィットする^[4]。

　電気系の制動を含むトータルの減衰比 ζt と共振倍率Qは次式の形になる^[2]。

ζt＝ζm･Rp／Re　　　(3)

Q=Qm･Re／Rp　　　(4)

Re:定格インピーダンス、、Rp:f0点におけるインピーダンスのピーク値

　減衰波形を包絡する線の式は、Exp(ーζt･ω0･t)　であり、時定数Tに相当する部分が 1／(ζt･ω0)　だから、
遅れTについて

T ＝ 1／(2π･ζt･f0c) 　　　(5)

T ＝ Re／(π･Δf･Rp)　　　(6)

T ＝ Q／(π･f0c)　　　(7)

遅れ率＝ T･f0c ＝ Q／π　　(8)

などを得る。

　バスレフポートの共鳴による遅れはトーンバーストの応答波形をカーブフィット^[1]して求めるのが正確である。遅れ率は波長に対する遅れの割合であり当館独自の指標である。

サブウーファーの音の遅れを測る

　いくつか測定したのでご紹介する。インピーダンス特性を測るにはアンプとスピーカーの間に測定回路（抵抗）を挟む必要があるため、アンプ内蔵サブウーファーでは分解が必要。

ヤマハ NS-SW210

　裏蓋を開けるとユニットが見える。ファストン端子が刺さっているだけなので、ここを外せば測定回路を挿入できる。

　ダクトからケーブルを引き出してインピーダンス測定回路（後述のリンク参照）に接続したところ。

　測定結果。破線はカーブフィットに使った理論曲線。f0cの遅れは3.8ms。

　f0cの山が歪んでいるのが気になる。

　トーンバーストを使って測ったポート共鳴の遅れは37ms（再掲）。f0cより１桁大きい。ポート共鳴は綺麗な正弦波のはず、高調波が乗ってカーブからはみ出している点が気になる。

パイオニア HTP-S333 付属サブウーファー

　パイオニアのHTP-S333に付属するサブウーファーは珍しいことにウーファーの結線部が外に出ているので、ここに測定回路を挟んでインピーダンス特性を測れる。

　測定結果。f0cの遅れは5.5msec。ヤマハのYSTに比べ遅れが大きい。

　トーンバーストを使って測ったポート共鳴(遅れは平均16ms（再掲）。ヤマハYSTの約半分。ここは出力音圧レベルとのトレードオフになる。共鳴音を積極的に出す設計ではなさそう。

測定結果一覧

　手持ちのスピーカーについて測定した結果の一覧を次に示す。ついでにポートを閉塞（密閉）にして変化をみた。

表１．各種スピーカーの最低共振周波数と遅れ

機種(口径)	f0c,T,Q0	ポート閉塞 f0c,T,Q0	fd,T
ヤマハNS-SW210 (16cm)	100Hz,3.8ms,1.2	96Hz,3.7ms,1.1	58Hz,37ms
パイオニアHTP-S333付属 (16cm)	101Hz,5.5ms,1.8	95Hz,4.9ms,1.5	68Hz,16ms
JBL CONTROL 1X (10cm)	144Hz,2.9ms,1.3	132Hz,2.8ms,1.2	Hz,18ms
DALI ZENSOR1 (13.5cm)	99Hz,3.0ms,0.93	88Hz,2.6ms,0.72	Hz,18ms
CLASSIC PRO CSP6 (16cm)	142Hz,2.8ms,1.3	–	Hz,11ms
JBL S3100 (38cm)	52Hz,5.6ms,0.91	45Hz,3.8ms,0.54	28Hz,13ms
クリプシュR-15M(13cm)	106Hz,4.1ms,1.36	90Hz,2.7ms,0.77	66Hz,7.1ms

注：駆動アンプ：ヤマハ RX-S600（S3100、HTP-S333のみソニーTA-F501）。fdの遅れは立ち上がりと立下りの平均をとった。

　遅れ時間に周波数を乗ずると「遅れ率」が計算できる^[5]。これは波長の何倍遅れるかを表し、周波数が違う場合でも遅れの大きさを比較できる。表１を遅れ率に換算した結果を次に示す。

表２．各種スピーカーの最低共振周波数と遅れ率(2020/7)

機種(口径)	f0cの遅れ率	f0cの遅れ率 (ポート閉塞)	fdの遅れ率
ヤマハNS-SW210 (16cm)	0.38	0.36	2.1
パイオニアHTP-S333付属 (16cm)	0.56	0.47	1.1
JBL CONTROL 1X (10cm)	0.42	0.37	*
DALI ZENSOR1 (13.5cm)	0.30	0.23	*
CLASSIC PRO CSP6 (16cm)	0.40	–	*
JBL S3100 (38cm)	0.30	0.17	0.36
クリプシュR-15M(13cm)	0.43	0.24	0.47

　結果として次の知見が得られた。

(1)サブウーファーの遅れは世間で言われるほど大きくない。同クラスの小型SPと比べてやや遅い程度。
(2)最大の遅れはヤマハSW210のポート共鳴(37ms)だった。Qも大きく、ポートの共鳴を積極的に利用する設計が伺える。
(3)ヤマハSW210のf0cの遅れは3.8msと少ない（パイオニアS333に比べて)。これがYST(電流FB)の効果かもしれない。
(4)ほとんどのSPでポートを閉塞すると応答が改善するが、容積が小さいSPではあまり変わらない。

　25～30cmクラスのサブウーファーを使えば40Hz近辺まで共鳴に頼らない低音再生が可能なはず。サブウーファーはできるだけ口径の大きいものを選ぶのが正解だ。

＜参考購入先＞
YSTのサブウーファー口径の大きい機種がお勧め

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