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。

インピーダンス特性の測定例(JBL S3100)

 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

ヤマハ NS-SW210の裏蓋を開けたところ

 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に接続したところ 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。

 

NS-SW210インピーダンス特性

 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。

NS-SW210 ポート共鳴周波数のトーンバースト応答波形

 

 

パイオニア HTP-S333 付属サブウーファー

パイオニア HTP-S333の裏面端子の様子

 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。

 

HTP-S333インピーダンス特性の測定例

  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。

HTP-S333 ポート共鳴周波数のトーンバースト波形

 

 

 

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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<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