【ナレッジ】エンクロージャーのロス、Qa Ql Qpを理解しよう

以前の記事中で、Qaについて触れました。
良い機会だからエンクロージャーについてのQについて整理しておきましょう。
　

エンクロージャーが担当しているQ

[Q]と聞けば、多くの方がラウドスピーカーのドライバーのFsのQ、すなわちQtsを思い浮かべると思います。しかし、他にもQがあります。
ドライバーは単体でQtsという共振を持ち、それがエンクロージャーに収まることで最終的なQtcを形成する。

ここまではよく知られている通り。一方で、バスレフ型やパッシヴラジエーター型といったエンクロージャー側の共振周波数にもまた、「箱固有のQ」というものがあるのです。そして、そのエンクロージャーのQが最終的なQtcにも支配的に働きます。その支配要因と設計を知っていることがラウドスピーカーデザインをする上ではとても重要です。本日はこの、箱のQについて触れます。

バスレフ型で、ポートチューニング周波数におけるエンクロージャーの共振Qを、Qbと置くと、Qbには次式の関係式があります。

1/Qbが、このボックスにおけるロスの大きさを示しています。

　●Qaは 　enclosure Q from Absorption losses

の略です。
つまりこれは、吸音処理によるボックスのロスです。

極めて剛体で吸収のないエンクロージャーのQaはとても大きく、エンクロージャー内の吸音処理を増やすほど、Qaは下降していきます。

　●Qlはリーケージによるロス（の逆数）。

　●Qpはポートによるロス（の逆数）

を示しています。パッシヴラジエーター型の場合はポートがないので、Qpがありません。（＝1/Qp がゼロ）
　
　
　

Qaの影響を検証

Q-absorption, Qaつまり、吸音材の存在による影響を見ておきましょう。

＜サンプルでの確認＞
まず、以下のようなスピーカーシステムのバスレフアライメントがあるとします。
このシステムには、吸音材を入れていません。
一見するとミスアライメントに見えますが？

これに吸音材を増やしていくと、f特はどう変わるのでしょう。

グラフはそれぞれ、

　Qa = 15.0　：バスレフで一般的な量、6面を吸音フェルトで覆った程度
　Qa = 5.0　：かなり多めの吸音処理、ふわっと充填くらい
　Qa = 2.0　：密閉方式などでギチギチ充填くらい？

を示しています。

下に行くほど、吸音材が多めです。周波数応答がずいぶんと違いますね。

つまり、吸音処理によってバスレフアライメントは変動するのです。

もちろん、密閉型においても吸音材によってQaが大幅変動するから、f特も変動するという仕掛けです。
当然ながら、箱の設計次第で吸音材の量の「最適解」も変わってしまうということ。

Qaの影響はQp、Qlに比べて最も大きな影響になります。なので、これを折り込んだ/配慮した設計が必要です。パッシヴラジエーター型でも同様。
この式はわかりやすいですよね。

吸音材だけでなく、B&Wのマトリクス構造をはじめとするブレーシングの多用、エンクロージャーの形状によってもロスは大きめになります。ロス… と書くと、すぐ”悪影響”と短絡されてしまいがちですが、この場合のロスとは必要・調整要素としてのロスです。

吸音なしでミスアライメントに見えたこのシステムも、ご覧のとおり吸音材を増やしていけば適切なアライメントに近づきました。また、極端に吸音材を増やしていけば位相反転型であっても、過制動密閉に近い特性になっていきます。

自作派では、この性質を特性調整に積極活用できます。また、簡易的なルームアコースティックの改善にも利用することができます。

Qロスが読み切れない場合は、（私のように）まず初期状態は吸音処理を最小限としておき、”必要に応じて後から吸音材を補填する”方法が無駄がありません。後から足すのは簡単ですからね！
　

Qpについての考察

Qpとはつまり、バスレフのポートによって生じるロス（の逆数）です。

Qpが高いほど、ポートは最大効率で動作することができ、バスレフ動作の最大効果が得られます。
では、どういう時にポートのQpは高くできるのでしょうか？

優秀なポート

= ポートのロス (1/Qp) が少ないポート。
一般にそれは、ポート剛性が十分に高く、ポート気流を阻害する要因が少なく、ポート内流速が十分に低く、ポートの出口のインピーダンス整合が良好で境界歪みが少ないものがQpは十分に高くなるようです。
もう少し具体的に分かりやすく言うと、ポートは剛性が高く、ポート面積が十分に大きく、ポート断面が矩形ではなく円形で、ダクトは直線的で、ポートの出入り口がいずれもフレアード形状となっていること。

円形フレアードポートで十分剛性や形状に留意されたポートである場合、そのQpは40〜60となるようです（最高性能）。

非効率で歪みも多いポート

では、Qpが低くなるつまり、効率が悪化したり歪みの増えるポートとはどのようなものでしょうか？
例えば、

• 息抜きなどと呼ばれて断面積が小口径なポート。
  これはポート内流速が極端に速くなり、非線形が強くなるとともにロスも大きくなります。
• 円形ではない四角形断面のポート。
• 同じ四角形でも、スリット型のようにX Yがいびつで扁平のポート。
• 内部で折れ曲がっていたり折り返したりしているポート。
• 出口入口でフレアードが掛かっておらず境界面反射の大きいポート。

これらポートではロスが極端に大きくなり、Qpは10〜20くらいまでガックリ落ちるようです。（最低性能）

このQpの効果は大きく、設計値通りにはバスレフが十分に働かず、低域の伸びも抑制されてしまいます。
だから、欧米ハイエンド商品を見ていただくと分かりますが、大概それは単純な円形ポートであり、出入り口には必ずフレアード加工がなされています。なぜならそれが最大効率を狙え歪も少ないからです。

吸音材によるQpの低下　＝ロスの増加

ラウドスピーカーを自作しない一般ユーザーの方々にも関係するのがこれ。
市販ラウドスピーカーでも低音が癖っぽくて気になる、バスレフがブーミーすぎる。そんな時、ポートに吸音材を突っ込んだりしたご経験があるかと思います。その時、Qpは大幅に低下しています。

これは別に悪いことではないです。そういう音にしたくて吸音材をインサートしているんですから。ただ、吸音材を挿入することでポートの効率は大幅低下しているということは覚えておいた方が良いでしょう。ほんのわずかに吸音処理をしただけでも、Qpは急下降しています。
例えば、ポート断面積の半分くらいを覆う吸音処理を行うと、50あったQpが3〜8と極度に低下するそうです。

上記はあるウーファードライバーをサンプルに模擬したものです。
青色は適切に設計されたバスレフの特性で、ポートが十分に大面積で流速が遅く、フレアー加工のポートを使う。この時のQpは50とします。
ピンク色はそのポートへ吸音材を半分くらい覆うように入れる。この時のQpは4。
特性にはこんなに違いが出ます。

この図で分かるように、急峻だったバスレフ低域の尖った肩特性が削られて、丸まった特性になるのだ、と覚えておけば良いでしょう。だから、ポートの音圧が目立ちすぎたりミスアライメントでピークが出ている場合には、吸音材でQpを抑えるのがむしろ効果的に働きます。

しかし上グラフを見れば分かる通り、低域のアライメントが適切だった場合にそれをすると、低域下限まで伸びがなくなって痩せた音になるのは想像に難しくありません。

以上、まとめると、

• Qpを良好にするためにはポートの大きさや形状が重要
• 小面積のポートは効率が大きく落ちるし流速歪みも増える
• フレアー加工していないポートはロスが大きく非線形歪みも増える
• ポートの吸音材はQpを著しく低下させる／それがチューニングに使える場合もある
• QaもQpも、低くなると低域端の肩が丸まる方向