DAISOユニットでTV用筒型無指向性スピーカーを作る

今の薄型TVは外枠(ベゼル)の幅が狭いので、スピーカーからの音の出口はTV下部と背面にあります。よってTVの正面では下から回り込んだ音と後ろの壁に反射した音を聞くことになります(メーカーのうたい文句では「音に包まれる」とか言うのでしょうが)。ちなみに、我が家のTVの背面は襖一枚隔てて隣の部屋なのですが、そちらで聞いた音の方が明瞭だったりします。またTVがオンだと家のどの部屋からも聞こえます。

これではうるさいのでTVの手前に小型スピーカーを置いていたのですが、その場合ソファーでちょうどいい音量だと他の場所では聞き耳を立てる必要があるという問題がありました。

そこで調べてみると円筒型エンクロージャーの無指向性スピーカーだと部屋のどこにいても聞きやすらしいという事がわかりました。壁による反射音を聞くという点ではTV本体のスピーカーと同じですが、TV背面側の壁の反射を積極的に使わないならいいかもしれません。

そこで2年ほど前に、ダイソーの300円スピーカーが話題になっていたのを知って何セットか購入して遊んだものの結局使わなかった在庫があるので、これを使って筒型の無指向性スピーカーを作ってみることにしました。

ダイソースピーカーに関してはこちらのHMcircuitさんのサイトが大変参考になりました。感謝です。

「ダイソー300円USBミニスピーカーで遊ぶ」

さて、円筒型のスピーカーに関しては10年以上前に発売されたエムズシステムの波動スピーカーという商品が有名のようです。(何やら商品名がオカルトっぽいですが、、、)

エムズシステムで特許を検索すると3件しかなくて、そのうちH18年12月27日に出願された特開2008-167045がそれのようです。ちなみに審査請求されていないので権利化はされていません。同社のHPの写真を見る限り、その中の実施例２が現在製品化されているものに相当すると思われます。

構造としては円筒型の外筒の中に内筒があるダブルバスレフ構造になってます。スピーカーユニットの後端が心棒で内部エンクロージャーの内側のインナーパネルに接続されているのと、内部エンクロージャーの後端が緩衝材でセンターパネルに接続されているのが特徴的ですが、その部分は特許の請求項になっていないので説明がなく、これがどのような効果があるのかはわかりません。またバスレフで低音が強調される理屈を含めて技術的な説明がとっても怪しい感じです。

(ちなみに発明者の名称で検索すると、同姓同名の可能性はありますが街の個人発明家の方ではなかろうかと想像できます。というのもこの方「再生音に波動効果が得られる録音媒体の製造方法」という特許も出されていたりします。製品のネーミングに関してはこの方の意向が反映されているのかな？と。)

その他調べた情報として、

・エンクロージャーは紙でできている

・スピーカーユニットはFostexのFE103。これ以外のユニットを使った製品もあるがそちらの音は全然良くないという口コミあり。

ということで、私としては筒型であることに何か秘密があるかもしれないと考え、紙筒で単なるバスレフスピーカーを作ってみる方針を立てました。というのも曲面振動版を使ったサウンドファンのミライスピーカーという商品があり、曲面から音を出すと遠方まで届くという事実もあるようなので。

「曲面サウンドとは」

「ミライスピーカーの原理実験のやり方」

ちなみにこちらの製品の特許は特開2021-48429になります。

紙筒の表面から音がどの程度出るかはわかりませんが、まあやってみようかなと。

昔FE103でバスレフの箱を作ったことがあるのですが、バスレフダクトの出力ってスピーカーの後ろ側の音なのだから逆位相になって正面の音を打ち消すのではないかなぁ？と漠然と疑問でした。今回改めて調べてみて、こちらのページを発見して目からうろこが落ちました。

「スピーカーの低域再生能力」

・バスレフはヘルムホルツ共鳴を利用していて、共鳴周波数ではバスレフダクト内の空気バネが振動する。よってスピーカーのコーン紙が後ろに動いたタイミングではバネが縮む状態なのでバスレフダクト出口の空気も後ろに動く。よって同位相となる。

・共鳴周波数を外れると逆位相になる。よってスピーカー全体としては共鳴周波数より下の音は打ち消されて急激に減衰する。

という事なんですね。共鳴周波数より上の音はエンクロージャーの構造や内壁の吸音材などで減少させてダクトからなるべく出さないようにしているってことでしょうか。

バスレフって低音まで出るけど低音だけ残響する感じなのはコーン紙の動きが止まっても空気バネの振動が減衰しながら収まるのに時間がかかるからなんですね。納得。

次の図はFE103Enのデーターシートで無響室での測定でしょうが、高い周波数の音は直進性が強いので斜めの位置では音圧が下がりますが、1.5kHz以下では斜めでも音圧が変化しない、すなわち前面バッフルの面積が小さければスピーカーを点音源として周囲に広がる(無指向性である)ことがわかります。人の声の周波数は女性でも上は1kHz程度らしいのと、実際の壁に囲まれた部屋では反射波があるので高域もここまでは下がらないはずなので今回の目的には問題ないことがわかります。実際車の運転席側のドアスピーカーは足の脛当たりを向いてますが高音が不足すると感じたことはありませんしね。

紙の筒について調べてみるとボイド管というものがあり、これでエンクロージャーを作られている方が多いことがわかりました。早速近所のホームセンターに行ってみたのですが、長さ2mの物しか置いてありません。これを持って帰って部屋に運び入れてカット作業をするのはさすがに無理と判断しamazonで内径100mm長さ1mの紙筒を購入しました。

これはボイド管ではなく厚さ2mmの紙の筒です。かなり丈夫な物ですがボイド管は厚さ3mmあるようです。

ここから片ch25cmのエンクロージャーを2本切り出します。紙だからカッターで行けるかと思いましたが途中から歯が立たなくなりました。逃げがないので刃が挟まってしまうんですね。物は試しと超音波カッターを使ってみたらスルスル切ることができました。どうやら熱可塑性の樹脂で固めてあるようで、これならホットナイフでも行けるかもしれません。

フロントとリアのバッフルは3Dプリンターで製作しました。バスレフポートは内径22mmで長さ30mmとしています。22mmというのは以前ペットボトルで遊んだ時のポートのサイズの踏襲であまり意味はありません。普段のTV視聴に重低音は不要なのでバスレフ共鳴周波数を100Hz程度になるように計算して最初は長さを50mmにしたのですが、これだと実際には90Hz弱となってしまったので短く作り直しました。スピーカーは裏側から止めたほうが密着できるようです。スピーカーとバスレフ出口の穴には若干のテーパーを付けています。

手元にPC用のピンマイクがあったので、これを使いバスレフポートからどのような音が出てくるのかを測定しました。測定はバッフル板表面から1cmのバスレフポート出口で行いました。一応スピーカーの音がなるべく直接入らないようにスチロール版で仕切りを入れています。マイクでは計測用ではないし測定環境としてはプアですが相対比較はできます。

HMcircuitさんのサイトを参考にアンプの入力コンデンサに4.7μFを追加して下の周波数まで出せるように改造し、WindowsのフリーウェアのWaveGeneで20～20kHzのスイープを行いWaveSpectraでピークを取得しました。結果は次の図です。上のグラフが縦軸リニア、下が縦軸dBです。キャリブレーションしていないので縦軸の絶対値は無視して相対値のみ見てください。

あとdB軸だとレベルの大きい信号は圧縮されレベルの低いノイズ的な信号が拡大されて直感的に見づらいので、今後はリニア軸主体のグラフを主体に提示していきます。

バスレフのヘルムホルツ共鳴は100Hz程度なのはいいとして、それ以外に700Hz付近や1.4kHz、2kHzそれ以降にも櫛型にピークが見受けられます。これは何だろうと首をひねりましたが、リアバッフルを外してみるとピークの周波数が変わることからどうやら気柱共鳴であることがわかりました。

両端を閉じた管では1/2λで基本波が共鳴するので240mmの管で708Hzとなり実測と合います。管は250mmですが、スピーカーユニットなどがあるので平均すると240mm程度なのだと思います。

これ以外にも2kHzの共鳴は管の100mmの直径方向で起きているような気もしますがレベルが大きいのはやはり700Hzとそのn倍音です。望まない周波数の音が大きく出るのは好ましくないので、ヘルムホルツ共鳴をなるべく下げずに気柱共鳴だけを下げる必要があります。

最初に、前後のバッフル版の間で音が行ったり来たりするのだからとバッフル版にフェルトを貼ってみましたが全く効果なしでした。考えてみると壁の部分は振幅の節で圧力変化がないので吸音材は無意味ですね。

音の反射を横に散らせないかとリアバッフル部分に円錐形のコーンを追加してみましたが、平均的な管の長さで共鳴しf特がブロードになっただけでした。

内部の全体に綿(濾過ウール)を入れると確かに気柱共鳴は減少しますがヘルムホルツ共鳴も減少してしまいます。

基本振幅の腹である管の長さの1/2の部分にスポンジを入れると700Hzだけは減少しますがそれ以外ではあまり効果が見られません。まあ当然ですが物理の実験みたいで面白いですね。

結局、振幅の腹の部分を吸音材に当てるためには管の内壁に一様に吸音材を貼るのがよさそうと分かりました。内部の空間を占拠しないようなるべく薄くて効果の大きい吸音材とは何か？という事で、100均で使えそうなものを色々調達して実験を行いました。

結果としてセリアのふわふわマットを選択しました。セリアの長毛ボアマットの方が減衰するのですがヘルムホルツ共鳴のレベルも下がってしまいます。このマットは裏に弱い粘着剤が付いているので、240mm×306mmにカットして内部に入れるとぴったりと壁面にくっついてくれて接着剤不要で扱いやすいというのもあります。

●組み立て

2枚のリアバッフルを背中合わせに接着剤とM3ビスで張り合わせ、紙筒を差し込んでテープで止め、表面にはカーボン調シートを貼ってからフロントバッフルを接着しました。

カーボン調シートはこちら。今回の中で一番高いパーツですね。

ネット情報ではダイソーでレザー調シートがあるはずなんですがうちの近所の店舗には置いてありませんでした。

バスレフポート側ではなくスピーカー本体からはどのような音が出るのかを同じように計測しました。

1kHzくらいから徐々に上がり始め8kHzでドッカーンと持ち上がっています。1kHzを基準にすると電圧では4倍近く、dBでいえば+12dBくらいになります。また16kHzの山は8kHzを出しているときの2次高調波によるものです。

耳がキンキンする音はこれが原因ですね。手元に3セットあるスピーカーどれも同じ特性でした。先のFE103の特性では可聴域で±5dBくらいの範囲に収まっています。8kHzの山を下げるためアンプ側にローパスフィルタを入れることにします。

まず入力部に追加したコンデンサですが、しょせん100Hz狙いなので1μFに変更します。これでもカットオフは23Hzなので十分です。

キンキン音を押さえるため帰還抵抗とパラでコンデンサを入れますが差し替えができるようにピンソケットを取り付けました。今はとりあえず0.0022μFを付けていてこの時の実測の特性は次のようになっています。これでまだキンキン音が気になるようなら0.001μFを並列に追加しようかと思っていたのですが、今のところこれで行けそうです。

それと入力のコンデンサの容量をアップすると、起動時の「ボコン」音が増えます。これは入力のコンデンサが1/2VCCに充電されるまでの期間は負の過大入力が入るのと同じことになるためで、実際スピーカーのコーンを見ていると後ろに思いきり引っ張られるのがわかります。これはスピーカーとICにとってダメージとなる可能性が大です。

ICのデーターシート(中国語ですが)によると、

ICの2ピンのコンデンサがポップノイズ防止回路用で、この端子が1/2VCCに達するまでの期間は出力を遮断するようです。そこで1μFを追加することにします。2.2μFを推奨と書いてあるようですが手持ちがなかったので、、、。これで通電時のコーンの動きはなくなりました。

汚いですが写真を載せときます。ケースに収めるために電解コンデンサをいったん外して基板のパターン側に付けています。以前遊んでいるうちに帰還抵抗の22kΩのパターンがはがれてしまったので固定抵抗を付けています。ピンソケットはホットボンドで固定しています。基板はダイソーのPPケースにやはりホットボンドで固定しています。

コンデンサは手持ちの関係で積層セラミックです。オーディオの世界ではフィルムコンデンサ以外は邪道なんでしょうが私はマニアじゃないので気にしません。

アンプとスピーカーの接続にはamazonで以前購入してしまった中華なギボシ端子を使いました。

端子もスリーブも肉厚が薄くてペラペラです。スリーブのサイズもエーモン製と比べて一回り小さいこともあり、実車では使わないのが賢明です。今回のようなちょっとした遊びの工作で使いきるしかないかな、といったところです。

こんな感じでできました。足も3Dプリンターで作成。底にクッションゴムと上面にゴムシートを張って本体は乗せてるだけです。

裏は見ないで～という感じ、、、

TVの前に置くとこんな感じ。ソファーで後ろに寄りかかっても画面の邪魔にはならない高さです。

でもちょっと上からだと情けないところが見えちゃいます、、、

●音は？

・当たり前かもですが、正面からよりも横に立った方が音が少し大きく聞こえます。という事は正面でちょうどいい音量にすることで部屋の壁や窓へ音がそれ以上に回ることになり、離れた場所でも聞き取りやすくはなりました。よって目的は成就したかな。

・本家の波動スピーカーのうたい文句ではどこから音が出ているかわからないそうですが、これは右のスピーカーからの音は右のスピーカーの位置から聞こえます。昔のラジカセでサラウンドをオンにするとスピーカーよりも少し外側から聞こえましたがそのような効果はないですね。そもそも音の広がり感ってどういうことを言っているのか私には理解できてませんけど。

・筒を触ると音の振動は感じますが、ここから音が出ているかどうかは聞き取れません。じゃあ小型スピーカーを外向きに(背中合わせに)配置するのと同じじゃないか、とも思いますが、一応見た目がインテリアっぽくできたのでこのまま使うことにします。もっと薄い材料(PETボトルとか)で筒を作れば違ったかもしれないですが。

・バスレフ周波数を100Hzとしたのが高すぎたのか共鳴が強すぎるのかわかりませんが、男性の話し声にはたまに共鳴周波数が含まれるようで低音だけ時々エコーがかるのが気になります。音声主体なら密閉型の方が良かったのかもしれません。