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。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てみた。

 

 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。

 バスレフポートの共鳴による遅れは、伝達関数から群遅延を計算するか、fdの周波数で加振したトーンバーストの応答波形をカーブフィット[1]して求める必要がある。

 

 

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Q0は次式の形になる[2]

ζt=ζm・Rp/Re   (3)

Q0=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 = Q0/(π・f0c)   (7)

などを得る。

 

 

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(40Hz)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(48Hz)の遅れは平均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,Q
ヤマハNS-SW210 (16cm) 100Hz,3.8ms,1.2 96Hz,3.7ms,1.1 40Hz,37ms,4.7
パイオニアHTP-S333付属 (16cm) 101Hz,5.5ms,1.8 95Hz,4.9ms,1.5 48Hz,16ms,2.4
JBL CONTROL 1X (10cm) 144Hz,2.9ms,1.3 132Hz,2.8ms,1.2 41Hz,18ms,2.3
DALI ZENSOR1 (13.5cm) 99Hz,3.0ms,0.93 88Hz,2.6ms,0.72 35Hz,18ms,2.0
CLASSIC PRO CSP6 (16cm) 142Hz,2.8ms,1.3 66Hz,11ms,2.3
JBL S3100 (38cm) 52Hz,5.6ms,0.91 45Hz,3.8ms,0.54 17Hz

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。

 

 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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ホームシアターを作る3 サブウーファーの音圧周波数特性を紹介

<関連資料>
1.「減衰をあらわす係数の意味と求め方」小野測器
2.等価回路によるスピーカー低域特性の解析とキャビネット設計法