パッシブラジエーター型エンクロージャーの仕組みと容積計算 | ウェーブガイドを使ったデスクトップ小型2wayスピーカーの自作 - 工作とかオーディオとか

本記事では、エンクロージャー方式にパッシブラジエーター型を選定した理由・容積計算・設計の流れを解説します。バスレフ型との比較も交えて説明しますので、方式の選択に迷っている方にも参考になるかと思います。

前回の記事でウーファーのWavecor WF120BD03のインピーダンス測定およびT/Sパラメータの算出が終わりました。

今回はそのT/Sパラメータからエンクロージャーの設計を行います。

エンクロージャー方式の検討
- パッシブラジエーターの仕組みとバスレフ型との違い
パッシブラジエーターの選択
エンクロージャー特性のシミュレーション
- ツィーターの選択
バッフルディフラクションのシミュレーション
エンクロージャーのサイズの決定と定在波のシミュレーション
エンクロージャーの詳細な設計
次回の記事
クロスオーバーネットワーク基板およびエンクロージャー図面の販売のお知らせ

エンクロージャー方式の検討

前作のScan-Speak Discovery 2wayスピーカーではバスレフポートの気柱共鳴によるディップの対策に苦しめられました。

ポートをフロントに配置したことの影響も大きく、リアにすることで軽減できたかもしれません。

本作は小型に作りたいと思っており、エンクロージャー容積が小さくなります。そのためバスレフ型で共鳴周波数を下げるためには、どうしてもポート長が長くなってしまい気柱共鳴が中高域に出やすくなることが予想されます。

またデスクトップに置くことを想定しており、そうした場合にスピーカーの背後が壁であることも少なくありません。ポートをリアに配置したとしても反射してくる共鳴音が気になる可能性もあります。

密閉型はどうでしょうか。密閉型はタイトな低音が期待でき、またバスレフ型のような気柱共鳴の心配はありません。ただ本作のウーファーは12cmと小型で密閉型では低域が不足してしまうことが考えられます。またユニットのEBP(Efficiency Bandwidth Product)は100を超えており、密閉型に向いているとは言いがたく、バスレフ型などに向いているとされています。

そこで本作では、パッシブラジエーターを使ったエンクロージャーを検討します。

パッシブラジエーターの仕組みとバスレフ型との違い

パッシブラジエーターとは、磁気回路を持たないスピーカーユニット(ドロンコーン)を取り付け、ウーファーの背圧を利用してそのドロンコーンを動かして低音を増強する仕組みのことです。バスレフ型ではポート(管)内の空気がヘルムホルツ共鳴器として機能して低音を増強しますが、パッシブラジエーター型では空気の代わりにドロンコーンを共鳴させます。

バスレフ型ではポート長と断面積を変更することで共鳴周波数を変更し、パッシブラジエーター型ではドロンコーンに重りを付与することで変更します。パッシブラジエーター方式は、バスレフ型と比較すると再生可能な低域の限界が高めになる傾向はあるものの、ポート特有の気柱共鳴が発生しないため、中高音域のレスポンスに悪影響が生じにくいという大きなメリットがあります。

小型スピーカーということで低域を欲張って伸ばすよりは、スムーズな特性の中高音域を実現した方が良いのではないかと考えての選択です。

パッシブラジエーターの選択

パッシブラジエーターにも数多くの製品があり、どれを使うのがベストなのかはスペックを見ただけではわかりません。

いつも使っているスピーカー設計ツールVituixCADにはパッシブラジエーター型のエンクロージャー特性のシミュレーションもできるため、それを使って絞り込んでいきます。

まずは前回の記事で測定したウーファーのT/Sパラメータを登録して、さらに候補となるパッシブラジエーターのパラメータもデータシートから登録していきます。

エンクロージャー容積は仮置きで4.8Lとしてシミュレーションしましょう。

パッシブラジエーターはエンクロージャーのサイドに取り付ける想定なため数を1または2として、それぞれについてフラットな周波数特性が得られる組み合わせを選定しました。f3・f6・f10はそれぞれ低域が-3dB、-6dB、-10dBとなる周波数、Group Delayは群遅延の最大値を示します。

パッシブラジエータ	数	追加重量	f3	f6	f10	Group Delay
Dayton Audio DSA175-PR	1	5g	65.4 Hz	57.4 Hz	51.1 Hz	10.3ms
Dayton Audio DS175-PR	1	0g	64.4 Hz	56.6 Hz	50.4 Hz	10.8ms
SB Acoustics SB13PFCR-00	2	0g	68.3 Hz	57.4 Hz	50.4 Hz	9.8ms
Dayton Audio DSA135-PR	2	3g	72.3 Hz	61.7 Hz	54.2 Hz	8.0ms
Dayton Audio DS135-PR	2	5g	72.3 Hz	60.8 Hz	52.6 Hz	8.4ms

この表を見ると DSA175-PR , DS175-PR , SB13PFCR-00 あたりが候補となることがわかります。

このうちSB13PFCR-00についてはf3が他の2つと比べると若干高めになっているため、Dayton Audioの DSA175-PR または DS175-PR を1つ使う構成が良さそうです。

Dayton Audio - DSA175-PR 6-1/2" Designer Series Aluminum Cone Passive Radiator

Dayton Audio - DS175-PR 6-1/2" Designer Series Passive Radiator

両サイドにパッシブラジエーターを装着した方が見た目のバランスは良さそうですが、2つ使う構成ではf3が高くなり今回の設計目標には合わなかったため、1つの構成でいきましょう。

エンクロージャー特性のシミュレーション

Dayton Audio DSA175-PR または DS175-PRを1つ使うエンクロージャーのシミュレーションを進めます。パッシブラジエーターに重りを追加することでドローンコーンの質量が増し、共鳴周波数を下げることができます。

それぞれのパッシブラジエーターの重りを調整し、低域がフラットに伸びるようにします。結果としてどちらも同じような周波数特性を実現できるとわかりました。その場合にはDSA175-PRの方が0.5ms程度Group Delayが小さくなるようです。

最終的にはDSA175-PRに10gの重りを追加し、エンクロージャー容積を4.5Lとしたところ、以下のような特性となりました。ネットワーク回路の抵抗値として0.6Ωを入れてあります。

f3 64.4 Hz
f6 55.8 Hz
f10 49.7 Hz
Zmin 4.1 Ohm @ 5 Hz
Zmax 24.4 Ohm @ 99.3 Hz
GDmax 10.7 ms  @ 55 Hz
XmaxC 3.8 mm  @ 5 Hz
XmaxP 1.8 mm  @ 46.2 Hz
Pmax 2 VA  @ 5 Hz

ツィーターの選択

前回の記事でツィーターの候補を3つあげました。

Wavecor TW030WA11
Dayton Audio ND25FW-4
SEAS 27TBCD/GB-DXT

各候補を検討した結果、Dayton Audio ND25FW-4を採用することにしました。決め手となったのは、2Wayスピーカープロジェクト Śiva Projectの作者のだしさんがフラッシュマウントおよびバッフル面取りによって特性が改善したとXに投稿されていたのを見かけたことです。

Dayton Audio - ND25FW-4 1" Soft Dome Neodymium Tweeter with Waveguide 4 Ohm

他の候補と比べてだいぶ安価なこのツィーターがどのような音を奏でるのか楽しみです。

バッフルディフラクションのシミュレーション

ユニットの大きさからバッフル板のデザインはほぼ決まってしまいますが、各ユニットの位置についてはディフラクションを考慮した位置調整が必要です。

加工の都合とディフラクションの影響を考慮した結果ツィーターはバッフル上面から約7mm空けた位置にすることにしました。±1dB程度にピークとディップがおさまっています。

なおディフラクションのシミュレーションは角丸め3mmでとっていますが、結果をわかりやすくするためで実際には両サイドはもう少し大きく丸めをとることにはなる予定です。

ウーファーについても同様のシミュレーションを行いましたが、特に問題はありません。

エンクロージャーのサイズの決定と定在波のシミュレーション

先ほどのVituixCADのシミュレーション結果からエンクロージャーの実効容積を4.5Lとし、そこにスピーカーユニット、内部の補強板、ネットワークボードなどが占める容積(約1L)を加算して、全体のサイズを求めます。そのサイズの場合に内部に発生する定在波の周波数をVituixCADでシミュレーションします。