――  §8 : 回路シミュレーションによる音響管方式キャビネットの解析  ―――

「音響管」とはホーンやバスレフのダクトも含まれるので、広い意味では中音ホーンやバスレフ型Boxも無関係とは言えませんが、 一般的には低音再生を助けるために設計されたBoxで、箱の中を音波が波動として進行する現象を利用したもの、と定義されるでしょう。


 ● 様々な音響管方式の分類と進化

最も古いものとしては「音響迷路型」があり、アイデアとしては後面開放型の後ろからの音の回り込みをなくす(出来れば背面の音を消してしまいたい)目的で背面を吸音した音響管に接続する物です。
吸音材を詰め込んだ密閉型(エアサスペンション方式と呼ばれた)に対する優位性がなかったので”見向きもされない”技術でしたが、B&W社の逆ホーン型音響管を用いた”Nautilus”によって再び脚光を浴びました。

本来は「低音ホーン」に分類されるべきバックロードホーン型も、実際には出口の反射でλ/4の気柱共鳴を発生しており、最低域ではホーンではなくてTLS型の共鳴動作をしています。
この、バックロードホーンのλ/4気柱共鳴を積極的に利用したものが、最近現れたTLSやTQWTだと言えます。
バックロードの出口にダクト形状を持たせた「バックロード・バスレフ」的なバリエーションも動作はTLSと同じ。

「分類」としては、背面の音を消音する(音響迷路)か、低音増強に活用する(TLS)かで2種に分かれ、さらに音響管として直管型/ホーン型/逆ホーン型の3種に区別できます。

ユニットの取付位置も基本は音響管の起点ですが、開口部を持つ場合は反射で内部定在波を持つ為に取付位置を起点からずらす方が良い場合が多くなります。最も影響の大きい2次共鳴周波数の節にユニットを取り付けるのがTQWT。


 ● 音響迷路(ノーチラス)型エンクロージャの解析

古典的な直管型の音響迷路と、逆ホーン型(ノーチラス)の基本動作を見てみます。
まずは直管型で出口を開放、吸音処理、密閉した場合。管の途中に吸音材を入れて制動した場合が下側のグラフ。

条件は、FostexのFE208EΣを20cmx20cmの四角いダクト(全長173cm)の端面に取り付けた状態をシミュレーションしています。
緑が開放、紫が無反射終端、赤は密閉時で、吸音材が少ないと管の共鳴で激しいピーク/ディップが出る。

緑の解放時は、50Hzでまずλ/4の共鳴ピークがあり、それ以降は150/250/350Hz・・と100Hz間隔で共振ピークが続き、200/400/600Hz・・の200Hz間隔のディップ(ユニット直接音との打消し)が発生します。

紫は無反射なのでダクト出口とユニットの音圧は同一であり、距離遅延での干渉で100Hz間隔でピーク/ディップの繰り返しとなる。
赤は密閉なのでユニット音圧だけだが、内部定在波の影響で音圧に乱れが発生します。

下の図はインピーダンス特性で、緑は50Hzでバスレフと同じ動作をしている事が分かる。

紫は抵抗終端なので非常にブロードな特性、注目は赤の密閉時で、100Hz以上では乱れているがfoのピークがユニットの43Hzから上昇していない。つまり管の長さによる共鳴でfoの背圧をキャンセルする効果がある。

単純な直管形状では、吸音材を大量に入れてダンプしてもユニット直接音との干渉で発生するディップを取り切れず、使いにくい感じです。


次は逆ホーン型に断面積を絞った場合を調べます。
条件は、同じFE208EΣを31cmx31cmから5cmx5cmまで絞った指数ホーン(全長173cm)の端面に取り付けた場合。

緑が開放、紫が無反射終端、赤は密閉時で、出口を絞っているために音圧特性はホーン出口の処理にあまり影響を受けません。但し、終端がミスマッチだと反射で内部定在波が大きく出る。

下のグラフは逆ホーンを抵抗終端した場合(紫)と、同じ内容積の密閉箱(緑)との比較。ホーン入口の面積が振動板の4倍近くあるのでホーンロードの抵抗成分が小さく、単なる密閉との差がほとんどない。

一番下の電気インピーダンス特性を見ると、紫のカーブはホーンロードでピークが下がり、ピーク周波数も下がっている。
ホーン入口の面積を半分以下に小さくすると、ホーンの抵抗成分が大きくなるので直管型の時のようにfoのピークはブロードになり、foの上昇も抑えられます。

つまり、ノーチラス型のエンクロージャで「抵抗制御」領域を使うには、ホーン入口の太さを振動板に近い値まで絞る必要がある。
そして、そのような設定では振動板の動きがホーンの抵抗で止められるのでユニットのQoが低くなり、オーバーダンピングで低音が出なくなります。

以上より、密閉にするとQocが1以上にまで上がってしまうような場合にはQを下げる目的で有効であるが、Qo<0.4の普通のユニットでは単なる密閉型で十分であり、多大な労力とコストを掛けても音響迷路型エンクロージャの利点はほとんどない。
(箱の内部に定在波を抑えるための吸音材を詰め込むのは絶対に嫌だ!と言う理由以外には考えられない)

ノーチラス以降に誰も同じ形式を採用する所がないのも頷けます。

 ● トランスミッションライン(TLS)型エンクロージャの解析

PMC社では"Advanced Transmission Line"と命名しています。

右図がその内部構造で、直管型の音道を折り曲げ、吸音材を多量に使用しているのが分かります。
ユニット取付位置は音道のほぼ20%付近。



このように直管型でユニット取付位置を端面からずらした場合の特性変化を最初に確認してみます。

FE168NSを20cmx20cmの四角いダクト(全長173cm)に付けた時の、ユニット取付位置による変化が下のグラフ。
ホーン内壁に軽く吸音処理をしただけなので、管の共鳴による大きなピーク/ディップが発生しています。

0%(末端位置)ではλ/4=50Hzの奇数次周波数に共鳴ピークがあり、ユニットとの距離差による干渉で100Hzの奇数次周波数は同相で音圧が上がり、偶数次周波数では逆相になってディップが発生します。

ユニット位置が33%になると、管の共鳴周波数の3次、9次がキャンセルされてなくなり、ユニットと出口の距離が近くなるので逆相によるディップは300Hzに移動しています。
このようなディップはホーン出口へ向かう音波がある限り、どこかの周波数で発生します。

F特の乱れをなくすには最低域(この場合は50Hzのλ/4共振周波数)の音波の放射を残したまま、200Hz以上の不要な成分をホーンから出ないように阻止する必要があります。

音道の折返しによる反射でのLPFはこのサイズでは1kHz以上でしか効かないので、数100Hzで吸音するには壁面全体に吸音材を貼るのが有効。
音道を塞ぐように吸音材を入れると、最低域の50Hz共鳴もダンプされてレベルが下がります。

ユニット取付位置25%条件で、内部定在波を抑えるために行き止まり側に吸音材を詰め込み、さらに音道を塞がないように出口側までの壁面に吸音材を一面に張り付けた場合はこのようになります。
(赤、紫、緑の違いは詰め込む吸音材の量で、入れすぎると低音が減る。)

単純な直管型TLSでは、この程度がまあまあの所。
普通のバスレフではキャビネットを大きくして低域限界を欲張るとレベルが下がってしまうのに対し、ホーンロードを掛けた効果で管を大きくするとさらに低域まで再生限界を広げられるのがTLSの効果。

同じ直管でも、太さを変えた場合はこのようになります。 (取付位置25%で適切に吸音処理した場合)

50Hzの共振周波数でのレベルのみ変化し、それ以外は全く変わらない。
全長は同じなので、細いほど全体の容積が小さくなり、共振時の音圧が低下します。

単に吸音材を減らしても低域ピークは上がりますが、中域の乱れが止められないので太めにして吸音材を多く使った方が特性をスムーズに出来ます。

全体は20x20cmのままで、出口付近だけテーパーに絞った場合が下の図で、
赤は173cm全長の75%位置から出口に掛けて半分の10cmにした場合、黄緑は2/3位置から5cmまで絞った場合です。(出口を絞ると共振周波数が低くなるので、その分全長を短縮して共振周波数を50Hzに保っている。)

開口面積を1/4まで絞ると、全長の短縮もあって内容積が減るので低域レベルが下がり始めている。半分程度ではレベル低下は無視できる値。
先を絞ると等価的に音響管の長さが減るので中域干渉の周波数が高くなり、吸音材が良く効くので中域の乱れがやや改善されます。

テーパーに絞らなくても、開口部を10cm程の短いダクト(幅は5cmに絞る)にしてもテーパーで10cmにしたのと同じであり、中域が段差で反射されるのか、乱れは微妙に減っている。(図の点線のカーブ)

つまり、不要な中域のダクト音放射を抑えるには、音響管の出口を最低域の放射に影響が少ない範囲で絞ると良いという事。ホーンのようにゆっくり絞るより段差で急激に狭める方が効果的です。(バスレフのダクトと同様に、風切音に対する配慮は必要。)


 ● TQWT型エンクロージャの解析と設計例

TLSで、音響管に開口部がテーパーに広がる形状を使用したのがTQWT型エンクロージャです。

開口部が広がると管の共鳴周波数が上昇し、単純なテーパー状の場合は1.5倍の長さで最初のλ/4共鳴となり、高次の共鳴周波数も単純な素数倍にはなりません。

グラフはFF105WKを幅20cm一定のテーパー音響管(開口部は26cmで長さ2.55mで1cmにまで絞る)の中央部に取り付けた場合。
赤は絞った末端を閉鎖、緑は開放、紫は吸音材でダンプした場合の比較です。 (吸音率0.1程度で軽く吸音処理しただけなので暴れが大きい)

音響的に抵抗終端した方が狭い方へ進んだ音波の反射がなくなるので、F特はスムーズになります。絞っているので最低域のレベル低下もありません。


次の図はユニット取付位置を音道の半分(50%)位置からずらした場合。

基本は50%とされていますが、実際には40%程度の方がバランスが良い。






さらに下は40%位置で全体の音道の幅(太さ)をテーパー形状は同じままで変化した場合。
最低共振周波数のレベルのみが変化する様子が分かる。
音道を適切に吸音処理した場合はこのようになります。(緑は不足でまだ中音に乱れが残る。赤はやや入れすぎで低音が減る。紫が最適量。)

10cmのフルレンジとしてはほぼ50Hzまで90dB音圧を確保できているので、まずまずの成果。

出口へ向かう音波を中域で完全に遮断することは出来ないので、多少のディップが発生するのはやむを得ない。

TLSの時のテクニック(音道の出口を絞って中音の漏れを減らす)も同様に使えます。


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