密閉型サブウーファーエンクロージャーとポート型サブウーファーエンクロージャー：いつ使用するか

筐体の設計が思っている以上に重要な理由

ほとんどの愛好家や一部の現役エンジニアでさえ、サブウーファーエンクロージャーの設計をチェックボックスのように扱っています。ドライバーのスペックシートを手に取り、何もないところからボリュームを選び、ボックスを作って、それが機能することを願っています。そして、低音が大きく聞こえたり、ロールオフが早すぎたり、パンチがゼロになったりすると、驚きます。

実は、サブウーファードライバーだけでは役に立ちません。エンクロージャーはシステムの半分、場合によってはそれ以上です。2 立方フィートの密閉ボックスに入った同じ 12 インチドライバーと 4 立方フィートのポート付きボックスでは、サウンドがまったく異なります。一方はタイトに制御され、もう一方は大きくても遅くなります。どちらも間違っていません。ただ違うだけで、どちらが正しいかは、アプリケーションによって異なります。

そこで役立つのがドライバーパラメーターです。Vas、Qts、Fsはマーケティング数値ではありません。これらはドライバーの実際の物理特性であり、どのようなエンクロージャーがドライバーを歌わせるかを決定します。

3 つの主要パラメータを理解する

Vas: ドライバーの「エアコンプライアンス」

Vasはリットルまたは立方フィート単位の等価体積です。このように考えてみてください。もし容積Vasの密閉されたチャンバーがあれば、内部の空気のコンプライアンス（バネ性）は運転席のサスペンションのコンプライアンスと一致することになります。Vasが高ければ高いほど、ドライバーのコンプライスも高くなります。Vasを制御するには、より大きなボックスが必要になります。Vasが低いほどドライバーの剛性が高くなるため、ボックスが小さい場合でもうまく機能します。

たとえば、一般的な 10 インチのサブウーファードライバーの Vas は 40 リットル (1.4 立方フィート) で、大きい 15 インチの Vas は 120 リットル (4.2 立方フィート) です。これらはランダムなものではなく、コーン、サラウンド、スパイダーの物理的特性によるものです。

Qts: ダンピングファクター

QtsはトータルQであり、ドライバーのサスペンションとボイスコイルの抵抗がドライバーの動きをどの程度減衰させるかを示す指標です。Qts が低い (たとえば 0.3) と、ドライバーの減衰が激しくなり、押すのをやめるとすぐに動きが止まります。Qts が高いと (たとえば 0.7)、呼び出し音が大きくなり、停止後も動き続けます。

これはエンクロージャー設計にとって非常に重要です。Qtsの低いドライバーは寛容で、密閉されたボックスでもうまく機能します。Qtsが高いドライバでは、共振直後の応答に大きなピークが生じないように、ポートされたボックスが必要となります。

Fs: フリーエア・レゾナンス

Fs は、エンクロージャーがなく、ドライバーが屋外でぶら下がっているだけの場合に、ドライバーが自然に振動させたい周波数です。一般的なサブウーファードライバーは 20 Hz ～ 50 Hz の範囲です。重低音にはFsが低く、中低音のパンチにはFsが高いほど良いです。

ドライバーをエンクロージャーに入れると、共振周波数は上向きにシフトします。どれだけシフトするかは、ボックスの容量と、密閉型か移植型かによって異なります。

密閉された箱:シンプルで予測しやすく、タイトです

密閉型エンクロージャーは簡単です。箱を作り、ドライバーを取り付け、しっかりと密閉すれば完了です。内部の空気はバネの役割を果たします。ボックスが大きいほどスプリングが柔らかい = 共振周波数が低い。ボックスが小さいほど、スプリングが硬い = 共振周波数が高い。

密閉ボックスの共振は次の式で求められます。

ここで、 $V_b$ はボックスの容量です。-3 dB ポイント (応答がピークより 3 dB 低くなる周波数) は、Qts と新しい共振周波数によって異なります。

密閉ボックスでは、レゾナンスを下回るときのロールオフは予測可能で緩やかで、通常は約12 dB/オクターブです。正しくチューニングすれば、ピークやディップのない、スムーズで制御された応答が得られます。チューニングを間違えると、レゾナンスのピークが大きくなったり、低音が弱くなってロールオフが早すぎたりします。

ほとんどのエンジニアは、正確さが重要なホームシアターや音楽鑑賞には、密閉された箱を好みます。トレードオフは、同じサイズの移植ボックスほど多くの出力が得られないことです。

移植されたボックス:音量は大きいが、扱いにくい

ポート付き (または通気口付き) のエンクロージャーには、空気を出し入れするための穴 (通常はチューブ) があります。このホールには独自の共振周波数があり、ポートを適切な周波数にチューニングすると、不思議なことが起こります。ポートはその周波数付近でドライバーの出力を強化し、低音出力を高めます。

しかし、落とし穴があります。ポートのチューニング周波数以下では、応答は 24 dB/オクターブでロールオフします。これは、密閉ボックスの2倍の急勾配です。つまり、ポートを 35 Hz にチューニングしたけれど深い 20 Hz の低音が必要な場合、運が悪いということになります。ポートチューンの下では応答が崩れます。

ポートチューニング周波数は次のとおりです。

ここで、 $c$ は音速、 $A$ はポート面積、 $V_b$ はボックスボリューム、 $L_{eff}$ は有効ポート長（物理的な長さ+エンド補正）です。

実際には、これをゼロから計算する必要はありません。計算ツールが代わりに処理しますが、重要な点は、移植されたボックスには注意深いチューニングが必要だということです。ポートの長さを 1 インチ間違えると、応答が数ヘルツずれる可能性があります。これはサウンドを台無しにするほどです。

実際の設計例:12 インチサブウーファー

たとえば、小さなホームシアタールーム用のサブウーファーを設計しているとしましょう。次のような仕様の 12 インチドライバーが使われています。

• ガス = 75 リットル (2.65 立方フィート)
• クオーツ = 0.42
• Cs = 28 ヘルツ

約3立方フィートの箱を入れるスペースがあり、密封されたものと移植されたもののどちらが良いかを知りたい場合があります。

密閉型ボックスデザイン

密封箱式で3立方フィートの箱を作る場合:

そのため、ボックス共振は 28 Hz (自由空気) から 38.4 Hz (ボックス内) に移動します。Qts が 0.42 と比較的低いため、応答は 38 Hz 付近で緩やかなピークに達し、その下ではスムーズにロールオフします。

Qts = 0.42 の密閉型ボックスの場合、32 ～ 35 Hz 付近で -3 dB ポイントになると予想されます。これはホームシアターには使えますが、深みのあるベースミュージックには向いていません。

移植されたボックスデザイン

それでは、同じ3立方フィートの移植された箱を試してみましょう。計算ツールから、バランスの取れた応答を得るには、ポートを約 32 ～ 35 Hz に調整する必要があることがわかります。このチューニングでは、出力が 32 ～ 35 Hz を中心とするブーストが得られ、応答は密閉ボックスよりも低く伸びますが、約 25 Hz を下回ると急激にロールオフします。

どちらが勝つのでしょうか？映画を見ていて、タイトでコントロールされた低音を密閉したいならより大きな出力が必要で、25 Hz以下の周波数は気にしない場合は、移植してください。

よくある間違い (および回避方法)

間違い 1: Qts を無視する

エンジニアはしばしば Vas と Fs を見て、Qts を完全に無視します。これは災難を招きます。密閉されたボックス内のQts = 0.7のドライバは、ボックスの共振周波数のすぐそばに巨大で醜いピークが現れます。「一音」のブームが聞こえます。同じドライバをポートボックスに入れて、適切な周波数にチューニングすると、素晴らしいサウンドになります。

必ず Qts をチェックしてください。0.6 を超える場合は、移植を真剣に検討してください。0.35未満であれば、密封された箱がうまく機能します。

間違い 2: ポート速度を忘れる

移植箱を設計するときは、ポートが小さすぎないことを確認する必要があります。ボックスの音量やチューニング周波数に対してポートが小さすぎると、ポート内の風速が 10 ～ 15 m/s を超えることがあり、ポートノイズ (特に低音が重い素材では、ヒスや口笛のような音) が発生します。

ほとんどの計算機はこのことを警告しません。経験則としては、35 Hz にチューニングされた 3 立方フィートのボックスには、直径が 3 インチ以上のポートを使用してください。5 立方フィートのボックスの場合は 4 インチです。スロットポートを使用する場合は、総面積が等しいことを確認してください。

間違い 3: 内部ボリューム損失を過小評価する

3 立方フィートの箱を計算すると、内部空間が 3 立方フィートの箱を作ったことになります。次に、ドライバーを取り付け、ブレース、断熱材、ポートチューブを追加します。突然、有効体積はわずか2.7立方フィートになりました。レゾナンス周波数が上がり、チューニングがオフになります。

内部コンポーネントによる音量損失は 10 ～ 15% と想定してください。3 立方フィートの音響ボリュームが必要な場合は、3.4 立方フィートのボックスを作ってください。

間違い 4: 間違ったVas値の使用

ドライバーの仕様はメーカーによって異なり、場合によってはテスト条件によっても異なります。あるドライバーは、あるデータシートではVasを70リットル、別のデータシートでは75リットルと記載している場合があります。これは大したことではないように思えますが、密閉ボックスの共振が 1 ～ 2 Hz ずれる可能性があります。

これを真剣に考えているなら、加算質量法かテストボックスを使ってVasを自分で測定してください。ほとんどの愛好家はそうしませんが、少なくともスペックシートを再確認し、マーケティング資料ではなく、ドライバーの実際のテストレポートの値を使用してください。

間違い 5: 移植されたボックスの出力が正確でわかりにくい

チューニング範囲では、移植されたボックスの方が密閉されたボックスよりも音量が大きくなります。エンジニアの中には、「音量が大きいほど良い」と考える人もいます。そうではありません。正確でフラットな低音レスポンスが必要な場合は、ほとんどの場合、密閉型の方が適しています。特定の範囲での最大出力が必要な場合 (アクション映画など)、移植版が適しています。何のために最適化しているのかを把握しておきましょう。

電卓をいつ使うべきか

ドライバがあり、スペースに制約があり、封印型か移植版かを決める必要があります。あるいは、両方を調べて、どのような応答が得られるかを確認したい場合もあるでしょう。

サブウーファーエンクロージャーボリュームを開く に手を伸ばすのはまさにその時です。Vas、Qts、Fs を接続すると、次のようになります。

• 密封ボックスの推奨容量
• 推奨移植ボックス容量
• ポートチューニング周波数
• シールド設計の-3 dBポイント

そこから、情報に基づいた決定を下すことができます。「密閉された2.5立方フィートのボックスに入ったこのドライバーは、30 Hzで-3 dBポイントになり、応答はスムーズになります。」「32 Hz にチューニングされた 3 立方フィートのポートボックスでは、出力は高くなりますが、25 Hz 未満ではロールオフが急になります。」

次に、構築、測定、反復を行います。それが本当の仕事です。

全体像

エンクロージャーのデザインは魔法ではありません。これは応用物理学です。ドライバーのコンプライアンスとダンピングがボックス内の空気と相互作用して、システムレスポンスを生み出します。数字が正しければ、思い通りのサウンドが得られます。数字を間違えると、段ボールのブームマシンのように聞こえる箱に引っかかってしまいます。

電卓が出発点を示します。あとはあなた次第です。注意深く構築し、可能であれば測定し、そして批判的に耳を傾けることです。平凡なサブウーファーと優れたサブウーファーの違いの大半は、ドライバーではなく、ボックスにあります。

試してみてください

サブウーファードライバーのスペックシートはありますか？それを引き出して。Vas、Qts、Fs を求めなさい。サブウーファーエンクロージャーボリュームを開く にアクセスして、推奨内容を確認してください。次に、リスニングスペース、優先順位 (精度と出力)、密閉型と移植版のどちらが用途に適しているかを考えてください。これが実際の設計とはそういうふうに行われているのです。