音響伝送線路

1970年代に著名な伝送線路型スピーカーのパイオニア、ジョン・ライト氏（IMF/TDL所属）が開発したIMFリファレンス・スタンダード・プロフェッショナル・モニターMk IVスピーカーの分解図。複雑な形状の伝送線路により、17Hzから「可聴域外」までの周波数帯域をカバーし、スピーカー感度は80dB（ピンクノイズを含む40ワット出力時、1メートルで96dBと規定）を実現した。[ 1 ]挿入図は組み立てられたスピーカーの写真である。

音響伝送線路は、音響導波管として機能する長いダクトを用いて、歪みのない音を生成または伝送するものです。技術的には、電気伝送線路の音響版であり、通常は剛体壁のダクトまたはチューブとして考えられ、その中の 音の波長に対して長く細い形状をしています。

伝送線路（TL）関連技術の例としては、（ほとんどが廃れてしまった）スピーキングチューブ（音の損失と歪みを最小限に抑えながら別の場所に伝送する）、パイプオルガン、木管楽器、金管楽器などの管楽器（一部は伝送線路としてモデル化できるが、設計には音の生成、音色の制御、そして音を外気と効率的に結合することが含まれる）、そして同じ原理を用いて正確で伸びのある低音域を生成し歪みを回避する伝送線路ベースのスピーカーなどが挙げられます。音響ダクトと電気伝送線路の比較は、音響システムの「集中定数」モデル化において有用です。集中定数モデル化では、容積、管、ピストン、スクリーンなどの音響要素を回路内の単一要素としてモデル化できます。電圧を圧力に、電流を容積粒子速度に置き換えれば、方程式は基本的に同じです。[ 2 ] 管内の波の周波数が臨界周波数を下回り、純粋に平面的である限り、電気伝送線路は音響管やダクトを記述するために使用できます。

設計原則

図1 - TLの長さと波長の関係
図2 - 駆動ユニットとTL出力の周波数応答（振幅）測定

位相反転は、対象となる最低周波数の1/4波長に等しい長さのラインを選択することで実現されます。その効果は図1に示されており、片方の端（スピーカー）にハード境界があり、もう片方の端に開放型のラインベントが配置されています。ベースドライバーとベント間の位相関係は、周波数が1/4波長に近づくまで通過帯域内で同位相ですが、図に示すように、1/4波長で90度に達します。しかし、この時点ではベントが出力の大部分を生成しています（図2）。ラインはドライブユニットと共に数オクターブにわたって動作するため、コーンの偏角が低減され、反射型や無限バッフル型と比較して、より高い音圧レベルとより低い歪みレベルを実現します。

特定のベース拡張に必要なラインの長さの計算は、単純な式に基づいて簡単に行えます。

ℓ＝3444×f {\displaystyle \ell ={\frac {344}{\,4\times f\,~}}}

ここで、 は音の周波数（ヘルツ（Hz））、は20° Cの空気中の音速（メートル/秒）、 は伝送線路の長さ（メートル）です。 f{\displaystyle f}344{\displaystyle 344}ℓ{\displaystyle \ell}

ベース・ドライブユニットの複雑な負荷は、TL設計のメリットを最大限に引き出すために、特定のThiele-Smallドライバーパラメータを必要とします。しかしながら、市販されているほとんどのドライブユニットは、より一般的な反射型や無限バッフル型向けに開発されており、通常TL負荷には適していません。低域再生能力を拡張した高効率ベース・ドライバーは、通常、非常に軽量で柔軟性が高く、非常に柔軟なサスペンションを備えるように設計されています。反射型設計では優れた性能を発揮しますが、これらの特性はTL設計の要求を満たしていません。ドライブユニットは、質量を持つ長い空気柱に実質的に結合されます。これによりドライブユニットの共振周波数が低下し、高い柔軟性を持つデバイスの必要性がなくなります。さらに、空気柱は、大量の空気に開口するドライバーよりもドライバー自体に大きな力を与えます（簡単に言えば、ドライバーが動かそうとする抵抗が大きくなります）。そのため、空気の動きを制御するには、変形やそれに伴う歪みを防ぐために、非常に剛性の高いコーンが必要になります。

吸音材の導入により、ラインを通る音速が低下することは、ベイリーが最初の研究で発見した通りです。ブラッドベリーは、この効果を検証するための広範なテスト結果を1976年のJournal of the Audio Engineering Society (JAES)誌[ 3 ]に発表しました。その結果、吸音材の減衰が大きいラインでは音速が最大50%低下する可能性があるものの、中程度の減衰を持つラインでは一般的に35%低下するという結果が出ています。ブラッドベリーのテストは、長毛ウールやグラスファイバーなどの繊維材料を用いて実施されました。しかし、これらの材料は効果が大きく変動するため、製造工程において一貫した再現性が得られません。また、動き、気候要因、経年変化によっても不一致が生じる可能性があります。PMCなどのスピーカーメーカーが開発し、長毛ウールと同様の特性を持つ高性能吸音フォームは、一貫した製造工程において再現性の高い結果をもたらします。ポリマーの密度、気孔径、そして彫刻的な形状はすべて、各スピーカーモデルに適切な吸音性能を発揮するように設計されています。フォームの量と位置は、低音域の周波数が妨げられることなく通過できるようにしながら、高音域のベース周波数を適切に減衰するローパス音響フィルターを設計する上で非常に重要です。

発見と開発

この画像は実際には逆折り畳みホーンです。ポート開口部付近よりもスロート部分が大きくなっていることから、その違いが分かります。真の伝送線路エンクロージャは、エンクロージャ全体にわたって同じ幅の「通気口」を備えています。

このコンセプトは、1936 年以降にStromberg-Carlson社のコンソール ラジオで使用されたときに「音響迷路」と名付けられました( Concert Grand 837G Ch= 837 Radio Stromberg-Carlson Australasia Pty | Radiomuseum を参照)。ストロンバーグ・カールソン社で働いていたベンジャミン・オルニーは、アコースティック・ラビリンスの発明者で、1936年10月にアメリカ音響学会誌に「キャビネット型スピーカーにおける空洞共振の除去、低周波応答の拡張、音響減衰の増大の方法」と題する記事を執筆した（[1]参照） 。ストロンバーグ・カールソン社は、1952年7月のオーディオ・エンジニアリング誌の記事（28ページ）（[2]参照）や、1952年以降Hi-Fi誌に多数掲載された広告からも明らかなように、1952年には早くも12インチまたは15インチの同軸ドライバーを対象とするアコースティック・ラビリンス・スピーカー・エンクロージャーの製造を開始していた。伝送線路型のスピーカー・エンクロージャーは、1965年10月にARベイリー博士とAHラドフォード博士がWireless World誌（p483-486）で提案した。論文では、ドライバーユニット後方からのエネルギーは、コーンの動きを減衰させたり、内部反射や共鳴を重畳させたりすることなく、実質的に吸収できると仮定されていた。そこでベイリーとラドフォードは、後方波を長いパイプに導くことができると推論した。音響エネルギーが吸収されれば、共鳴を励起するために利用できなくなる。十分な長さのパイプをテーパー状にし、詰め物をすることでエネルギー損失をほぼ完全に抑え、開口部からの出力を最小限に抑えることができる。理想的なテーパー形状（拡張型、均一な断面積、または収縮型）については、まだ広く合意が得られていない。

用途

スピーカーの設計

音響伝送線路は、1960年代から1970年代にかけて、スピーカーへの応用で注目を集めました。1965年、ARベイリーがWireless World誌に発表した論文「非共鳴スピーカーエンクロージャ設計」[ 4 ]では、実際に動作する伝送線路が詳しく紹介されました。この伝送線路は、ジョン・ライトとそのパートナーによってIMF、後にTDLというブランド名で商品化され、オーディオ愛好家のアーヴィング・M・「バド」・フリードによって米国で販売されました。

スピーカー設計において、伝送線路は時間、位相、共鳴に関連する歪みを低減するために用いられます。また、多くの設計において、人間の可聴域の低音域、場合によっては近超低音域（20Hz以下）まで優れた低音域拡張を実現するために用いられます。TDLの1980年代のリファレンススピーカーシリーズ（現在は製造中止）には、サブウーファーを別途必要とせずに、20Hz以上から7Hz以上までの周波数帯域をカバーするモデルが含まれていました。TL設計の提唱者であるアーヴィング・M・フリードは次のように述べています。

スピーカーは信号波形の完全性を保つべきだと私は考えています。Audio Perfectionist Journalは、スピーカーにおける時間領域性能の重要性について多くの情報を提供してきました。時間と位相の精度の高いスピーカーを高く評価しているのは私だけではありませんが、近年、印刷物でそのことを公言しているのは、私以外にはほぼいません。それには理由があります。

実際には、ダクトは従来型のキャビネット内に折り畳まれ、ダクトの開口端はスピーカーキャビネットの通気口として現れます。ダクトの折り畳み方は様々で、定在波を生じさせる平行な内部表面を避けるため、ラインの断面はテーパー状に加工されることが多いです。ドライブユニットと吸音材の量（および様々な物理的特性）に応じて、設計プロセス中にテーパーの程度を調整し、ダクトの応答における不規則性を排除します。内部の仕切りは構造全体に強力な補強を提供し、キャビネットのたわみや音色変化を軽減します。ダクトまたはラインの内面は吸音材で処理され、ドライブユニットをTLとして負荷するための適切な周波数終端を提供します。理論的に完璧なTLは、ドライブユニットの背面からラインに入るすべての周波数を吸収しますが、無限に長くする必要があるため、あくまで理論上の話に過ぎません。現実世界の物理的制約により、キャビネットが実際の用途には大きすぎるため、ラインの長さを 4 メートル未満に抑える必要がある場合が多く、そのため背面のエネルギーすべてをラインで吸収することはできません。実現された TL では、上側の低音のみが本当の意味で TL ロードされ (つまり完全に吸収されます)、低音はキャビネットの通気孔から自由に放射されます。そのため、ラインは事実上ローパス フィルターとして機能し、これはラインとその吸収性充填物によって音響的に実現されるもう 1 つのクロスオーバー ポイントです。この「クロスオーバー ポイント」より下では、低音はラインの長さによって形成される空気の柱によってロードされます。長さは、通気孔から出るときにドライブ ユニットの背面出力の位相を反転するように指定されます。このエネルギーは低音ユニットの出力と組み合わされて応答を拡張し、実質的に第 2 のドライバーを作成します。

伝送線路としての音響ダクト

音の伝播のためのダクトも、伝送線路（例：エアコンダクト、車のマフラーなど）と同様に動作します。ダクトの長さは、通過する音の波長とほぼ等しくなりますが、断面積は通常、波長の4分の1よりも小さくなります。管の一端から音が導入され、断面積全体の圧力が時間とともに変化します。ほぼ平面状の波面が音速で伝送線路を伝搬します。波が伝送線路の端に到達したとき、その挙動は伝送線路の端に存在するものによって異なります。考えられるシナリオは以下の3つです。

  1. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数により、末端出口で圧力ピーク（奇数次高調波オープンパイプ共振）が発生し、ダクトの音響インピーダンスが実質的に低下し、エネルギー伝達レベルが高くなります。
  2. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数により、末端出口での圧力がゼロになり（均一な高調波オープンパイプ反共振）、ダクトの音響インピーダンスが実質的に高くなり、エネルギー伝達レベルが低くなります。
  3. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数は、エネルギー転送が公称値であるか、またはソースからの距離に応じた典型的なエネルギー消散と一致するピークまたはヌルを生じません。

参照

ウィキメディア コモンズには、音響伝送線路に関連するメディアがあります。

参考文献

  1. ^参考スピーカーimf-electronics.com
  2. ^ベラネック、レオ（1954）『音響学』アメリカ物理学会ISBN 978-0883184943
  3. ^ LJS Bradbury、「スピーカーエンクロージャーにおける繊維材料の使用」、Journal of the Audio Engineering Society、1976年4月、404-412ページ
  4. ^ AR Bailey、「非共鳴スピーカーエンクロージャ設計」、Wireless World、1965年10月、483-486ページ
ウィキブックスには「音響伝送線路の計算」に関する書籍があります。
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