キット屋倶楽部
LEGO SPEAKER 第11報
  «第10報   第12報»  

LEGOスピーカーの製作 第11報

 
     


写真1 19号機 シンメトリック・ダブルスパイラルホーン「サイクロプス」

 
  1. シンメトリック・ホーン構想

 最近の私の造るLEGOスピーカーにはオリジナリティが足りないのではないかと不満に感じていた。バスレフをスパイラル化したり、JSP方式をLEGOで実現したりと応用はしているが根本的な面白さが足りない・・・。よし、19号機は久々に複雑な構造のシステムに挑戦しよう。LEGOスピーカーには新しさが欲しい。夢をももももぉーっとちょうだーい。である。

 
  1−1 構造設計と仕様

 JSP方式でシンメトリックデザインの優位性が確認できた。19号機ではバックロードホーンのシンメトリックデザインを実現したいと考えた。はじめはロート状の構造を2重にしてスピーカーユニットを4方で囲むホーンデザインを検討したが、構造が複雑になりすぎるのとターミナルの取出しで苦労しそうだと躊躇した。バックキャビティ(スピーカーユニットの背面の空間)の全周がホーンに囲われているとターミナルが付けられない。細かいことであるが、こういった検討も製作の上では重要である。製作性や部品の調達なども考えながら設計している。
 こうして頭の中で構造設計を考えるのもとても楽しい。3D-CGよろしく構造が次々と浮かんでくる。どんなに複雑な構造も容易に実現できるのがLEGOならではである。
 上下左右の4ホーンではなく、2つのホーンにしよう。これでもシンメトリックデザインにできる。2つのホーンはスピーカーユニットの上下に配置したかった。音像の良好な定位には左右に余計なものが無いほうが良いと考えている。しかし、今回はシステムの設置上の安定性と見た目のインパクトを考慮してホーンツイーターに見られるような横広がりのデザインとした。スピーカーユニットをセンターに配して、左右にバックロードホーンを開口するデザインである。
 トータルのホーン長は1.7mとする。これで100Hzが位相反転して同相で出てくる。後ほど詳しく解説するが、今回のシステムではスピーカーユニットの直接放射音とホーン開口からの低音放射との干渉が重要な問題となると予想した。100Hzを同相にして増強する狙いである。1.7mの2つのホーンはダブルのスパイラル構造でコンパクトに畳み込もう。
 図1に上面と前面の構造図を示す。スピーカーユニットにはミクセルさんから新しく発売されたTangBand のチタンコーン 10cmフルレンジW4-1337SDを選んだ。チタンコーンとネオジウムマグネットの強力ユニットはホーンのドライブ力に期待が持てる。
ロート状のバックキャビティからホーンのスロートが伸びる。スロートはこれまでの経験から重要であると考えて、200mmのロングストレート構造とした。16mm角のパイプである。その後、リアパネル部分で左右に分かれスパイラル構造につながる。スパイラルは見かけ上9ターンであるが、ダブル構造なので4.5ターンの複合である。200mmで収めるために2ピッチとして途中から少し音道面積を広げる。このスパイラル部分は1ターンあたりの平均音道長が256mmと計算されたので、4.5ターンで約1mの長さとなる。さらに、音道は約350mmのシステム奥行きを前面から背面、前面に前後して出てくるのでトータル音道長は約1.7mとなる。ホーン部分はバックキャビティを挟んで左右に広げる。これでスピーカーユニットに近接開口したシンメトリックホーンとなる。ターミナルはちょっと目立つが上面に配する。他に場所が無いのである。細長い構造なので強度が心配されるが、複雑なダブルスパイラル構造が内蔵されるので問題ないだろう。この構造から組立方式はホリゾンタルタイプと決定した。
 仕様を以下に示す。

<19号機 基本仕様>
・方式:10cmフルレンジ シンメトリック・ダブルスパイラルホーン
・組立方法:ホリゾンタルタイプ(水平組立)
・バックロードホーン方式:フロント開口スパイラルホーン(ダブル)
・使用ユニット:TangBand W4-1337SD (チタンコーン)
・外形寸法:W256mm H128mm D360mm(初期設計値)
・ホーン開口寸法(開口率):96mmX48mmX2(36倍)
・トータルホーン長:1,682mm(内スロート長200mm)
・吸音材:なし

図1 19号機 構造図

 
  1−2 製作過程

 全パーツを写真2に示す。小型サイズでコンパクトな割にはかなりの部品量である。各モジュールの製作は大変であったが、楽しい。実を言うと、図1の詳細構造を考えてから製作しているのではなく、無数のLEGOパーツを前にカット&トライで造っているのである。その方が自由度が高く、LEGOの特性を活かせる。と言うか、設計どおりには上手く組めない場合が多い。では個々のモジュールを紹介しよう。
 スピーカーユニットモジュール(写真3)。チタンコーンがカッコ良い。このスピーカーユニットはダイキャストのフレームもしっかりとしていて高価だが良いユニットである。
 本機の要パーツ。スパイラルモジュール(写真4)。中心の穴がスロートで全長200mm。背面で左右に分岐して周囲のスパイラル構造に入る。このダブルスパイラル構造はとても図面化できないので造りながら考えた。180度で対称に造るとダブル音道となる。1/3範囲でピッチが異なっているのがお解かりいただけるであろうか?
 ホーンモジュール(写真5)。以前から前面開口のこの構造が造りたかった。段々ではあるがなめらかに広がる。ターミナルも装着してある。

写真2 19号機全パーツ 写真3 スピーカーユニットモジュール
写真4 スパイラルモジュール 写真5 ホーンモジュール

 リアエンクロージャ(写真6)。ただの筒構造であるがレッグ用の突起がある。この中にスパイラルモジュールが収まる。
 写真7はホーンモジュールに取り付けるセパレータである。この2枚のセパレータがホーン開口部とバックキャビティを仕切るのである。強度を得るため複雑な形状とした。
 リアパネル(写真8)。背面のフタ。音道部分に化粧パネルを貼る。

写真6 リアエンクロージャ 写真7 セパレータ
写真8 リアパネル 写真9 組立1(リアパネル取付)

 では組み立てよう。まずはリアパネルにスパイラルモジュールを取り付ける(写真9)。
次にリアエンクロージャに挿入するが、これがなかなか難しい。引っかかりに注意しながら慎重に組み立てる。スパイラルセクションの完成(写真10)。
 ホーンモジュールを取り付ける(写真11)。だいぶ形になってきた。
セパレータの取り付け(写真12)。ここで、ターミナルの干渉発見。位置を少しずらした(汗)。セパレータは写真13の様にホーン部分とバックキャビティを分離する。バックキャビティはロート状の狭い空間となる。

写真10 組立2(スパイラルセクション) 写真11 組立3(ホーン取付)
写真12 組立4(セパレータ取付) 写真13 セパレータ取付の様子
 

 スピーカーユニットモジュールを取り付ける(写真14)。写真では吸音材に活性炭を一袋詰め込んでいるがこれは失敗であった。
 インシュレータを貼り付けて組立終了!(写真15)。完成した19号機(写真16)。
シンメトリックなホーンデザインにインパクトがある。奥行き方向に細長い構造なのでホーンセクションとスパイラルセクションとのつなぎ目が構造上弱そうだ。ターミナルのケーブル接続時には気をつけないといけない。ターミナルの直下にインシュレータを追加すれば解決だが6本足もなんなのでこのままでいいや。
早速試聴しよう(写真17)。ところが・・・。

写真14 組立5(SPユニット取付) 写真15 組立6(インシュレータ取付)
写真16 完成した19号機 写真17 試聴(いつもながら問題山積)
 
  1−3 考察と改良

 ハレ?低音がまったく出ない?!・・・そういえば、吸音材がスロートを塞いでいる。こりゃ製作不良だ。取り除いて再度試聴。このバックキャビティは平行面が少ないので吸音材は不要だろう。・・・まだ低音が足りない。どうもバックキャビティの内容積が少なすぎる様である。バックロードホーンにおけるバックキャビティはホーンのカットオフ周波数(ホーンから放射される周波数上限、バックキャビティが大きいと低下する)に影響するが、あまりに少ないとスロートをドライブする音圧が出ないのではないか?
 早速改良する。セパレータのデザインを変更してホーン側に膨らませ、バックキャビティの容積を2倍程度に増やした。・・・低音が出てきた。しかし、何か不自然な音である。何か抜けているような・・・?
 バスレフ方式でのシンメトリックデザインの良さはバスレフダクトからの放射音がスピーカーユニットの直接放射音と均一に融合する点であると考えている。一般的な偏ったバスレフポート配置では低音に遊離感が生じる原因となるのではないだろうか。この影響はバックロードホーンも同様である。ホーン開口部が偏った位置にあるよりもシンメトリックである方が有利なはずだ・・・という考えから19号機を設計した。
 図2をご覧いただきたい。図はホーンの周波数−位相特性を示す説明図(縦軸は位相角とレベル、レベルは正確ではない)であるが、1.7mのバックロードホーンからは100Hzが正相となって出てくる。100Hzの波長は約3.4mなので半分の1.7mでは180度位相が遅れる。スピーカーユニット背面の位相は逆相なので180度遅れでちょうど正相となるのである。他の周波数ではどうだろうか?ホーンからの放射音(ホーンレスポンス)を考えると200Hzでは1波長遅れて逆相になる。300Hzではさらに半波長遅れて正相、400Hzで再び逆相となる。低い方では50Hzで90度遅れ、これ以下では逆相領域だが、もともとスピーカーユニットが駆動できないのでレスポンスは少ないだろう。高域では400Hz以上ではホーンのカットオフと複雑なスパイラル構造のロスからレスポンスは低下すると考えられる。以上から100Hzと300Hz近傍の水色の周波数領域では低音増強が期待できるが、問題はピンクの200Hz近傍の領域である。この範囲はホーン開口から逆相の音圧が放射されるのでスピーカーユニットの直接放射音と相殺して打ち消し合ってしまう。通常のバックロードホーンでも起こりうることだが近接配置のシンメトリックデザインではこの干渉がより顕著になる。
また、図中の黄色の領域、90度程度の位相遅れ、あるいは低レスポンスの漏洩領域。この範囲はどういった影響がでるのか?・・・これらが不自然な音の原因ではないかと推測している。ちなみにバスレフ方式では図の赤破線のようにバスレフダクトのレスポンスは共振周波数(図では100Hz)のみで位相反転して正相となって出力されるので相殺干渉の影響はほぼ出ないと考えられる。

    図2 ホーンの周波数レスポンス

 これは困った。今回も失敗なのか?・・・とりあえずホーンにフタをしてみよう(写真18)。低音が出なくなった(あたりまえか)、だめだこりゃ。
 直接放射音とホーン放射音の干渉が問題なのだからホーンにフードを付けてみたらどうか?早速試してみる。写真19のフード装着で明らかに効果があった。マトモな音になってきた。しかし、スピーカーユニットの前面に壁があるというのもいかがなものか。実際、中高域にこの壁の影響と思われる歪み感がある。サイバーなデザインはカッコ良いがこのフードはボツ!
 それならば、前面の壁を45度で開いてフロントホーンのような形状のフードにしたらどうか(写真20〜22)。ちょっとホーン開口が狭くなるがまあ良いだろう。

写真18 フタをしたが・・・ 写真19 サイバーデザインフード
写真20 フロントフードの追加 写真21 背面形状
写真22 完成した19号機 写真23 試聴中の「サイクロプス」

 音は?・・・うん。聴ける音になった。若干クセは感じるが、このスピーカーシステムの個性とも取れる。バックロードホーン特有のスピード感、アタックのキレが楽しめる。不思議と音場感というか広がりがとても良い。ホーン開口からの複雑な位相の放射が左右に均一に広がるためだろうか?それでいてフロントホーンの効果が出たのかボーカルのセンター定位も良好である。
 なんとか完成することができた。19号機。シンメトリック・ダブルスパイラルホーン「サイクロプス」である。オリジナル設計のスピーカーシステムはそれだけでもうれしいものだ(写真23)。
 低音の状態は推測に過ぎない。測定システムもそろえたが、このあたりの低音領域はリスニングルームの(定在波の)影響が大きく、正確に測定できない。これは今後の課題である。測定用の無響室がほしいなあ。でも大切なのは聴いて楽しいかどうかだと思う。特性に縛られすぎることは問題だろう。

 
  2. これまでのあらすじ (後編)
  2−1 11号機「スモール・スパイラルホーンシリーズ」

 10号機の失敗の反省(てゆーかショック)から気が小さくなり、コンパクトなスパイラルホーンを製作した。初代のスパイラルホーン9号機では複雑な螺旋階段構造を実直に製作したが、単なる筒に螺旋構造を挿入すれば容易に製作できることに気が付き、成功した9号機の簡易版として設計したものである。コンパクトバスレフの8号機の時に造った8cmフルレンジを用いた標準ヘッドユニットを載せられる小型のスパイラルホーンで、8号機とほぼ同サイズにした。音道長60cm程度のスモールサイズだが、いちおうホーンの音はする。特にグラスファイバーコーンのスピーカーユニットとの相性が良く、極めて軽快なハイスピード音となった。ヘッドユニット4種類で4機製作したが現在はこのモデルのみ残っている。

 
  2−2 12号機「4ポートショートスパイラルホーン」

 大量の10号機の残骸(LEGOパーツ)を前に新たな考えが浮かんできた。これまでの長い音道長を持ったスパイラルホーンではなく、あえてショートホーンをスパイラル化し、本数を増やして低音の量感とスピードを両立しようという狙いである。10号機は厚さ3.3mmのプレートブロックでできていた。このパーツを使えば従来の3倍密度の高剛性エンクロージャが造れる。スピーカーユニットにもパイオニアの復刻高級10cmフルレンジを奢って究極のLEGOスピーカーを目指した。外観は一般的な四角いコンパクトスピーカーであるが、内部構造は複雑で驚くほど強固な重いエンクロージャとなった。その音は究極の名にふさわしいハイクオリティなものであると自負している。しかし、エンクロージャを強固に製作しすぎたためにまったく調整できない。造りっぱなしである。本当はホーンのチューニングなどすればさらに良くなるのかもしれないが・・・。この作品も将来のミュージアム展示決定である。

 
  2−3 13号機「スパイラルド・バスレフ実験機」

 スパイラルホーン製作で著名な先輩方のホームページを見るとバスレフ方式のダクトの中にスパイラルを挿入したような構造の作品を発表されている。探してみるとこのようなスパイラル方式のバスレフスピーカーも市販されていることが分かった。
LEGOではスパイラル構造を簡単に造れるのでバスレフ方式のシステムを造ってスパイラル化することを考えた。と言うのも、7号機で製作したバスレフ方式はやはり低音の再生効率が高く、コンパクトにスピーカーシステムを製作するには王道と感じていた。ところが前報で記したバスレフ方式特有のクセが気になっていたので、これが解決できればと思ったのである。ホーンとは呼び難い構造なので「スパイラルド・バスレフ」と呼ぶことにした。7号機の改造実験でうまく行ったので13号機はペーパーコーンの10cmフルレンジを配した極めてコンパクト、ヘッドユニットの大きさ128mmキューブで製作し、実験機として高い効果を証明した。
「スパイラルド・バスレフ」の効果とはどういったものであろう。バスレフ方式のクセを低減するにはダクトにウレタンなどを詰めてダンプドバスレフにする方法がある。このためのウレタンチップを付属した市販スピーカーシステムも多い。ところがこの方法ではクセは低減するが低音の増強効率も低下してしまう。単にロスでQ値を下げて(抵抗を増やしてダンプする)しまうのではなく、共振の周波数幅を増やして低音の増強範囲を広げられれば理想的だが、残念ながら複数の共振周波数の異なるダクトを配してもただ一つの合成特性となるだけで共振の幅は広がらない。
スパイラル構造の挿入ではバスレフダクトが細く長く変更され、さらにスパイラル構造の複雑な経路の働きでロスが少なくQ値がダンプされるのではないか?この結果広い周波数でバスレフ効果が出るのではないだろうかと想像している。(ああー無響室がほしいなあ)
とにかく、私にはスパイラル化したバスレフシステムがハイスピードで良質な低音に聴こえるのである。この13号機も使命を終え、16号機に生まれ変わっている。

 
  2−4 14号機「ライトコンセプト:スパイラルド・バスレフ」

 バスレフ方式が使えるとなると、できるだけコンパクトなシステムを造って見たくなった。8cmフルレンジのスピーカーユニットで極めてコンパクトなエンクロージャを設計した。選択した竹繊維を用いたコーンのスピーカーユニットも良質で音の良いミニスピーカーシステムとして時々ストック(写真24)から引っ張り出してきては楽しんでいる。やっぱり小さいのが好きなんだ。
ある意味、この14号機は一つの集大成かも知れない。

 
  2−5 15号機「超コンパクト:スマートデザイン」

 調子に乗って5cmフルレンジでさらに小型化に挑戦した。もっとも、スパイラルド・バスレフといえども、もはや低音は出ていない。でも、この可愛らしさは絶品である。今も傍らでBGMとして鳴り続けている。オーディオは音質だけではない。「楽しさ」が重要である。なお、工夫としては中に活性炭をいっぱいに詰め込んでいる。5cmスピーカーユニットとはいえ、このサイズに取り付けるとエンクロージャが壮大にビビる。ハコとしては小型で強度は十分なはずであるが背圧とはすごいものである。活性炭は不思議なくらいにこのエネルギーを吸収してくれるのである。

 
  2−6 16号機「スパイラルド・バスレフ リファレンスモデル」

 この16号機はスパイラルド・バスレフの基礎研究のために製作したもので、13号機から持ってきたペーパーコーンの10cmフルレンジスピーカーユニットを配した極めてオーソドックスなスタイルである。ダクトの長さやスパイラルピースの形状を変え、いろいろと実験した。ただし、正確な評価は測定システムの完成を待っている。
 12号機でエンクロージャの剛性が大切であると認識したが、本機は物量ではなく構造で強度を稼いでみた。つまり、縦横にステーや支柱を配したのである。
 第9報で発表した時は背面からバスレフポートが突き出しているが、この長さ分のエンクロージャを延長して内容積を増加し、吸音材の活性炭挿入量などのチューニングをした結果、まさにリファレンスと呼べる安定したパフォーマンスを持つに至った。現在は気に入ったシステムの一つとして音を楽しんでいる。

 
  2−7 17号機「JSP方式」

 JSPさんの発表された奥行きの長い4本のダクトを持つバスレフ方式スピーカーである。LEGOで製作することは構造も簡単で容易であった。8cmウッドコーンのフルレンジで十分な低音が出ている。確かにJSP方式は一般のバスレフ方式にはないメリットを感じる。いわゆるバスレフのクセが少ないのである。それでいてバスレフ効果も高い。特にそのシンメトリックなデザインに魅せられた。

 
  2−8 18号機「ミニJSP方式」

 だから18号機ではJSP方式の小型化に挑戦した。マグネシウムコーンの8cmスピーカーユニットで最小のサイズで設計した。ダクトは2本としてバーティカル配置でシンメトリックデザインを踏襲した。ダクトの最適計算結果からとても細長いダクトとなったが、効果は十分である。構造も簡単で造りやすい。もしもあなたがLEGOスピーカーを造って見たいのならばこのシステムをお勧めする。音質的にも一般的に認められるものであると思う。

 
  2−9 19号機「シンメトリック・ダブルスパイラルホーン」

 D.C.(本報のはじめに戻る)

 
  2−10 fine

 もともと研究目的ではじめたLEGOによるスピーカー製作であるが、もはや造ることが目的となってしまった。どのスピーカーシステムがいちばん良い音なのか自分でも分からなくなってしまっている。良い音とはソースや体調でも変わるのだからあたりまえかもしれないが・・・。
結局、ドキドキ、ワクワクしたくて新たなスピーカーを造り続けている。だって楽しいに決まっているじゃない・・・世界に一つしかないスピーカーを自分のために造っているのだから・・・。

     
写真24 待機中システム

 
 
第10報 «  LEGOスピーカーの製作 » 第12報
 
キット屋倶楽部のTOPに戻る