《連載》テクノヒントオーディオ倶楽部～エンジニアが語るマニアックな音響世界～第五回最適な周波数特性からスピーカネットワークを自作する

技術力を趣味に生かして人生を楽しんでいるエンジニアがいます。
テクノヒント　オーディオ倶楽部～エンジニアが語るマニアックな音響世界～では、技術分野を活かしていかにして「音」を極めていくかを連載でご紹介します。
今回は、機械装置開発の専門家であるテクノプロ・デザイン社の秋元氏より、周波数特性を計算、駆使して最適なスピーカユニットを作成するまでの過程を公開。エンクロージャのDIYに始まり、回路図の設計に至るまで、いよいよ最終章です。

話者紹介

またまた、皆さん、こんにちは。
前回のオーディオ倶楽部では、主にスピーカ作りに当たってエンクロージャの設計について話をさせて頂きました。どの様な構造のエンクロージャを作ろうか、ブックシェルフ型やトールボーイ型、バスレフ型やちょっと横道に逸れてバックロードホーンは如何かな等と構想を初めましたが、最終的には無難なトールボーイ型に決定した訳です。
話しは逸れますが、元来、エンクロージャはスピーカユニット動作時の不要な振動を抑え、箱鳴りを押さえることが重要だと聞いています。
また、ユニット後方から出た音の共振を防ぐため、正反射を押さえる構造が必要だとも聞いています。市販の高級スピーカにはその様な点に留意し、楕円型や四角錐型や丸柱型等のかなり凝った形状のものが多く見受けられます。
また、エンクロージャの材質も木材や集積材を初めとしてセラミックやコンクリート、さらにアルミや鉄に鋳物等の様々な素材が用いられています。
しかし、素人の工作技術ではセラミックや金属には手が出せません。ここはやはり工作が容易で簡単に入手できる木材を使うことにしました。

エンクロージャの製作開始

さて、本番の製作に先立って小型スピーカ用のエンクロージャを製作し、工作技術を確認しました。また、事前に買って置いたスコーカとツィータを組み込んで音色も確認しました。一通り確認出来たので、いよいよ本番用のエンクロージャ製作に取り掛かります。
今、思い起こすと創る前にあれこれと構想を検討している時が一番、夢が膨んで楽しかったですね。やることが決まると後は手を動かすだけなので、完成させるべく義務感に苛まれます。
実は前回に記載したエンクロージャのサイズですが、必要な容積を満たしつつ、市販の板材を使用した際に板取りの無駄をなくし、経済的に使用できる寸法を考慮して決めました。
市販の板の寸法は長さが1820㎜で幅が150mmから400㎜まで50mm刻みでありました。板厚は18㎜、21㎜、24㎜等がありますが、今回は板厚21㎜を採用しました。
先ず、1820mm×350㎜の板材を2分割し、そのままエンクロージャの側面に用います。
次に幅が300㎜で奥行350㎜、板厚21㎜の天板と底板を組み合わせると高さが952㎜となります。
従って、前面パネルを952㎜として組み立てれば、前面には板の継ぎ目が出てこないので美しい仕上がりになります。
また、余った板材は底部や各部の補強に用いることにしました。
板取りは次の図の様になります。

寸法

さて、この様に板取りを決めてから、ホームセンターへ出向いて板材を購入し、先方にて希望寸法に切断して貰い、その他にも必要な角材や木ネジ、木工ボンドなどを購入し、意気揚々と少年の様な気持ちで自宅へ戻ったことを覚えています。

いよいよ大工仕事です。

自宅へ戻ってから板材の切断面等を滑らかにするため、早速、自室でサンダーを掛けましたが、粉塵が舞い上がって部屋中に雪が降る～（こんなにロマンチックでは無いが）状態になりました。
これはとんでもないと、仕方無くベランダでやってみましたが、さらに大変な事態です。粉塵が舞い散り、近所の方から公害だと苦情が出ること間違いなしの状況です。思案の挙句、仕方なく風呂場でやることにしましたが、粉塵で頭から全身が真っ白になるため、マスクを着けてパンツ1枚になって頑張りました。この様な姿は誰にも見せたくありませんね。（当時は技術部の部長でしたが、この格好では部長の威厳などは全くありません。）

一通り板材を磨き終わったら製作開始です。前回でも記載しましたが、□24㎜の角材を用いてエンクロージャの骨組みを作り、この骨組みへ各板材を木ネジで固定する構造です。
木ネジの長さは40㎜としエンクロージャの表面には出て来ない様に留意してあります。なお、各板材の固定には木工ボンドも併用しており、ボンドが乾燥した際には木ネジが無くても堅固に固定される構造になっていますので、数十年は壊れないで楽しめると思います。

製作方法が決まったのは良いのですが、会社から自宅へ戻っての毎日が大工仕事となり、平日は深夜残業が続き、休日も休まず、もちろん残業手当や休日出勤手当も出ませんでしたが、個人的には楽しい趣味の工作が出来たので大満足の時間でした。
しかし、埃は出るし、電動工具がうるさいしで家族からはイエローカードが出ましたが、そこは家長権限で押さえました（本当はワイロが功を奏したのですが）。
もしも、これが仕事だったら自分でも文句たらたらでやっていたと思います。それに、こういうことを毎日やらされたら、直ぐに転職したくなるでしょうね。
しかし、趣味と仕事でこうも精神状態が違うとは、人間とはつくづく都合の良い生き物だと思います。

ともあれ、組み上がったエンクロージャ前面には、ジグソーを用いてスピーカユニット取付用の穴加工を行ない、さらに各スピーカユニットの干渉を防ぐ間仕切りも取り付けました。
なお、ツィータは密閉構造となっているため、間仕切りは設けていません。ともあれ、大工仕事を頑張った甲斐もあって細部は未完成ですが様にはなって来ました。こうして、一ヶ月近く掛かりましたがエンクロージャの外観が完成しました。

そうなると居ても立っても溜まらず、スピーカユニットを組み込んで鳴らして見たくなりました。そこで各スピーカユニットを組付け、暫定的にアッテネータを作って鳴らしてみました。
防音や振動対策等も無く、適当なアッテネータで接続しましたが、完成時には期待が持てそうな良い音が出てくれました。一先ずは安心して先へ進めそうです。（あくまでも自己満足ですが） そのまま、聴いていたかったのですが、そうなると残りの作業が全くできなくなるため、渋々取り付けたユニットを外して元の姿へ戻しました。

今度は塗装屋です

さて、次はいよいよ塗装作業ですが、当然、自作だからと言って見すぼらしいのは許せません。
兼ねてから考えていたのはピアノブラックです。
自宅にあるヤマハのピアノに負けない様な漆黒でピカピカに仕上げたいと考えていました。
本物の漆は非常に高価で入手性と作業性が悪いため、あれこれと思案していましたが、ホームセンターで塗料を探していたら人口漆を見つけたので、これだと思い決定しました。

用いた漆塗料：→ワシン「工芸漆」黒(外部リンクへ)

サフェーサ（下地塗り）や人口漆、さらにシンナーや刷毛等を買って帰り、早速、サフェーサーを塗って見ました。
ところが、自宅では空気中にチリや埃が舞っており、塗装面に付着すると非常に汚らしくなり、やり直すことになります。
そこで、埃対策として床にブルーシートを敷き、3畳くらいのサイズのビニールチャンバを作って天井から吊るして覆い、中にエンクロージャを2個並べ、塗装作業を行いました。上面になったところから１面ずつ塗り、その面が乾いたら90度回転して、次の上面を塗ることを繰り返します。 塗った面が完全に乾くのに一晩掛かりました。
そのため、毎日仕事から帰って来て、乾燥した面を90度回転して1面を塗ることを繰り返しました。
しかし、埃除けの効果はあったもののビニールチャンバ内と自宅内がシンナーで充満し、頭がくらくらします。シンナー少年なら大喜びするシチュエーションですが、当然、家族からは多大な苦情が出て、2枚目のイエローカードを貰うところでした。
丁度、塗装を始めたのが12月だったため外は寒いのですが、シンナー対策のためにベランダの戸を開け、扇風機で排気しながら塗装することにしました。しかし、好きなことをやっているせいか、寒さも気にならず、風邪も引かず、家族からは変人扱いされました。

　塗装を始めてから判ったのですが、漆を２，3回程度塗った程度では黒くはなりますが、板の目が見えて色の深みや光沢が無く、ヤマハピアノの塗装には程遠い状態です。買って来た５缶の塗料では全く足りません。
そこで、早速、5缶を買い足しに行きました。
しかし、さらに3回程度塗ってもまだまだの仕上がりです。
そこで、また5缶を買い足しに行くことを繰り返し、近所に有る数軒のホームセンターの人口漆は私が全部買い占めてしまいました。その間に雪が降り、やがて桜が咲き、結果的には4月末まで5か月も塗装工程に時間を要し、計23回塗りました。塗料代だけでも5万円位掛かったと思います。
ヤッター、お陰でヤマハピアノに対抗できるところまで黒く、深みがある色に仕上げることができ、鏡の様に顔が映ります。ここで皆さんへのアドバイスですが、スピーカの塗装をするのなら、暖かい時期をお勧めしますよ。

塗装が仕上がったので、遂にスピ－カユニットの取り付けです。さらに、内部に防音材を貼ったり、裏板へ鉛板を貼って防振対策をしたり、まだまだやることは沢山あります。

スピーカ背面板を取り外したところ

また、将来のマルチアンプ化を考慮し、スピーカの接続端子は高音＋中音と低音に分離したマルチ端子とし、使用する端子やコネクタ類は全て金メッキ仕様を用い、接触抵抗や防錆対策に考慮しました。見えないところにお金が掛かっていますよ。

(左)スピーカケーブル接続状態　（右）スピーカ接続プラグ

次はネットワークを考えなくては

次はいよいよネットワークの設計です。エンクロージャが完成したのなら、さっさと各スピーカユニットを取り付け、＋と－の配線を繋いで鳴らせば良いじゃないかと思われますが、実はそう簡単には運ばない理由があるのです。
今回製作しているスピーカは、3Wayで4スピーカだと前回説明しました。3Wayとは高域用と中域用、さらに低域用のスピーカが有るということで、さらに今回は低域にウーファを2個使用しているので4スピーカになるのです。

（左）下部ウーファ Vifa（右）上部ウーファ　Seas

各スピーカに良い音で鳴って貰うには、高域用には高域の信号だけ流すための仕組みが必要になります。
それがハイパスフィルタ（HPF）です。反対に低音域には低域の信号だけ流すための仕組みが必要で、それがローパスフィルタ（LPF）になります。
それでは、中域用はというと高域と低域の信号は要らないけど、中域だけの信号だけが欲しいということで、これをバンドパスフィルタ（BPF）と呼びます。

自分が選んだ各スピーカユニットの「再生可能周波数」等のデータやグラフを見ながら、各ユニットに何Hz辺りを受け持って貰うかを考慮してフィルタの値を決めるのですが、おそらく、この作業がスピーカの味付けになると思います。精一杯耳を凝らして自分好みの音を作りたいものですね。

ネットワーク全景

今回計画したスピーカの構成は次図の通りで、前述した様にツイータにはハイパスフィルタ（HPF）が組まれており、スコーカにはバンドパスフィルタとしてハイパスフィルタ（HPF）とローパスフィルタ（LPF）が、さらにはウーファにはローパスフィルタ（LPF）が組まれています。

(左)ツイータとスコーカのネットワーク、(右)ウーファのネットワーク

さらに、各スピーカは個々にインピーダンス（抵抗値）や能率の違いがあります。一定パワーの信号を入力しても、これらの違いにより各スピーカによっては、再生音が大きかったり、小さかったりします。これを調整するのがアッテネータになります。
今回はウーファを基準に、ツィータとスコーカには音量を調整するアッテネータ回路を付加してあります。

ネットワーク構成

カットオフ周波数を決めよう

さて、ネットワークの機能は各スピーカユニットへの周波数帯域を分けることが判ったので、受け持ちの周波数帯域を決めます。そのためには信号の通過域を定め、カットオフ周波数を決める必要があります。
次図のローパスフィルタを例に説明しますが、横軸に周波数fcを縦軸にゲイン㏈を表します。ゲインは入力信号に対する出力信号の電圧比率を示します。ちなみに、入力信号と出力信号が同じ場合はゲインが０dBということです。
例えば、ウーファに担って欲しい周波数帯域を通過域とし、それ以降を減衰域としてローパスフィルタで設定しますが、通過域と減衰域の間には信号が減衰して行く遷移域があり、ここで入力信号が－３dB低下したポイントをカットオフ周波数と呼びます。

ローパスフィルタとカットオフ周波数

フィルタの設計

ハイパスフィルタHPF やローパスフィルタLPFの設計に当たって調べて見ると、位相補正の機能を含め、色々な回路があるようです。
素子を１個使うと6㏈減衰するということですが、今回は基本的に1回路に2個使うので12㏈減衰するフィルタ回路を採用することにしました。また、前回記載したイーディオ社から頂いた回路も参考にフィルタ回路を検討しました。

イーデオ社から頂いた回路図

私は基本的には下記に記載したフィルタ回路を用いて、各スピーカ用のカットオフ周波数を求めました。色々とネットワークを検討した結果、次図が私のネットワークになります。これらの値を入力してカットオフ周波数を計算すると下記の様になります。

作成した回路図

　

本記事の執筆中にパッシブネットワークのフィルタ計算に便利な次のサイトを見つけました。今更ですが、この様な便利なサイトがあることを知った次第です。次の機会には参考にしたいと思います。
https://tomari.org/main/java/passivenet.html

ツィータのハイパスフィルタ（HPE）

L＝0.56ｍH、C=5μF（なお、上式のLはH(ヘンリー)、CはF（ファラッド）ですので、入力する 際は単位に注意してください。L=0.00056、C=0.000005になります。）
カットオフ周波数fc＝3,007Hz　になります。

スコーカのローパスフィルタ（LPF）

L＝0.82ｍH、R=2.2Ω。カットオフ周波数fc＝2682Hzになります。

ウーファのローパスフィルタ（LPF）

L＝1.3mH、C=100μF。カットオフ周波数fc＝441Hzになります。

以上の試算値から各フィルタ回路を作りましたが、各スピーカユニットの再生する周波数帯域は次の図のようになります。

各スピーカユニットの周波数帯域

ところで、ネットを見ていたら、カットオフ周波数から、所望のCやLを求めてくれる便利なサイトがありました。
（参照：TOM‘ｓ Web Site.。パッシブネットワーク計算（フイルター） (tomari.org)）

残りはアッテネータ回路の追加です

　前記した様に、各スピーカは個々にインピーダンス（抵抗値）や能率の違いがあり、同じパワーの信号を入力しても、再生音量の違いが出ます。そこで、各スピーカのインピーダンスを調べ、抵抗を直列と並列に繋いで調整しました。この辺りの設計計算は割愛します（音出しをしながら修正したため）。
なお、スピーカユニットの能率を加味し、アッテネータよる調整を説明した記事が先ほどと同じTOM‘ｓ Web Site.にありました。ご参考までにお知らせします。

最初はカットオフ周波数の計算に基づいて、設計値に近いL（コイル）R（抵抗）C（コンデンサ）を選びましたが、本来ならば高価な計測装置を用いてスピーカに基準信号を入れ、測定器で周波数特性を測定し、フラットになる様に定数を決めるそうですが、素人にはそこまで投資できませんね。

そこで、ネットワークをエンクロ－ジャへ入れずに外部へ出し、直ぐに定数を変更できる様に各抵抗やコンデンサ、コイルをクリップ等にて接続して空中配線します。
昔、コントローラやドライバ等を試作する際に良くやっていたことを思い出しました。人間とは何年経っても進歩しないものですね。
それから、自分がリファレンスとする音楽を何度も何度も聴きながら、各素子の接続を瞬時に切り換えて好みの音が出る様に調整し、カットオフ周波数を含めていじりました。これを何度も何度も繰り返しました。
私がリファレンスに用いたのは吉田拓郎と中島みゆきとRAY　BRYANTとテレサテン等でした。クラシックは長過ぎて音を忘れてしまいますから。人間の声とピアノの音は結構重要な判断ファクターになりますね。

私の経験からすると、計算値は参考にはなりますが素子の個体差等の物理的な変動要因も多く、聴いた感じが自分の想いとは一致しないものだと思いました。そんなこんなで、空中配線の汚らしい状態が一ヶ月ほど続いた楽しいチューニング作業となりましたが、取り敢えずは見苦しいものを内部に収めて完成させました。
何しろエンクロージャの裏蓋が16本のねじで止まっているため、一度入れると面倒で出したくなくなるので決断が必要です。
現在でも、時々エンクロージャの裏蓋を開けてチューニングを楽しんでおり、先に記載したHPEやLPEやアッテネータの値は当初とは変わっています。

スコーカ室と下部ウーファ室の連結開口部

今度、スピーカを製作する機会があれば、外部からネットワークをチューニングできる構造にしようと考えています。写真の様にワニ口クリップで接続を変えていますが、いつか腹を決めて固定したいと思います。
最後の仕上げとして、各スピーカは床への不要振動を防ぐため、写真の様な堅固な4個の防振台上に乗っています。

スピーカの防振台

また、それらを乗せる台座としてブロックを試しましたが、現在はパーティクルボードを使用しています。
今は御影石を入手して乗せたいなと考えていますが、私が御影石のお世話になるのとスピーカが乗るのとどちらが早いか見ものですね。

それから、塗装は専門業者に頼んだ方が楽ですね。もうシンナー少年にはなりたくありません。

最後に

さて、話が長くなりましたが、自作したスピーカの出来はどうだったか感想をお話ししましょう。
あくまでも自己満足ですが、秋葉原で聴いた1本100万円以上のスピーカにも負けない音を手に入れ、当初の目標は達成できたと思います。

スピーカー正面

同時に半年以上も木工作業と電気工作が楽しめました。
ワイフからも音が鮮明で良いスピーカだと褒めて貰えました。しかし、ピアノの様にピカピカに仕上げたため、埃が目立つし、今回の様に写真を撮る際は自分や周りの物が映り込まないように注意が必要です。
最後になりますが、私の取り留めのない話に付き合って下さり、ご苦労様でした。