キット屋倶楽部
LEGO SPEAKER 第37報
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LEGOスピーカーの製作 第37報

 
     


写真1 USBパワードLEGOスピーカー47号機

 
  1. コンセプトの思考

 LEGOブロックでハコを造ってスピーカーユニットを納めれば、とりあえずスピーカーシステムは完成できる。ただ、それだけでは面白くないので、いつも何らかの特徴を与えるようにしている。

それは低音増強方式の研究であったり、コンパクト化への挑戦だったり・・・。

今回は、最近流行のパソコンとUSBで接続して利用するパワードスピーカーシステムを製作してみたい。狙いとしては、できるだけ小さく造ってUSBのみで接続する簡単システムにしたい。それでいて音が良いというものだ。

 キーパーツとなるUSBデジタルパワーアンプにはStereo Sound刊のDigiFi誌13号に付属していた回路基板を使用する(このシリーズを最近良く利用させていただいている)。USBからの電源供給で10W+10Wの出力が得られる優れものである。デジタルパワーアンプなので発熱もなく、もちろんパソコンからUSBオーディオ機器として認識される。プッシュボタン式の電子ボリュームも装備している。
この基板の固定にはM3ボルトを使用するが、LEGOブロックとピッチをあわせるのに苦労しそうだ。

 
  2. 設計

  使用するスピーカーユニットを選定する。コンパクトに造りたいので小さなユニットを選ぶが、45号機で使用して、その性能に驚いたDAYTON AUDIO の ND65-8 を今回も使用したい。振動板径65mmという小さなサイズなのに80Hzという低音域まで再生できるスピーカーユニットである。方式はここのところ好んで採用しているパッシブラジエーター方式とする。前回も述べたように市販のパソコン用ミニスピーカーでも採用例の多い方式だ。先の45号機では88mmキューブサイズにまとめたかったので、できなかったが、この同じユニットをパッシブラジエーターとしても使用してみたいのだ。

 使用するLEGOブロックは今回もフレームにはカラフルなパッケージ品を用いる。
ミニモデルにはモザイク調が似合うだろう。だが、大きなブロックしか使用できないのでパッケージの小物パーツが余ってしまうのが難点である。これ以外にバッフルパネルとリアパネルに使うプレートブロックと前面のタイルブロック、アンプ基板を固定するための特殊な穴あきブロックなどが必要になる。

 構造設計を行う。まずは図1の左右のスピーカーユニットを一体化したデザインを考えてみた。前面にメインユニットND65-8を2個取り付け、背面にパッシブラジエーターとして1個付けて左右のメインユニットで駆動する。下部にデジタルアンプ基板を収納した構成である。このアンプ基板は意外に大きいので結構ケースが大きくなってしまう。
ウーン。なんかロボットの頭みたいでカッコ悪いなぁ。・・・これはボツ。

図1 デザイン案1 図2 デザイン案2

 結局、図2のオーソドックスな左右独立タイプにした。この方が実用的で飽きずに使えるだろう。上側のスピーカーユニットがアンプに駆動されるメインユニットで、下側がパッシブラジエーターとなるユニットである。できるだけ小さくしたので内容積はたったの250ccしかない。それでも、パッシブラジエーター方式なので背圧の影響は少ないだろう。

 デジタルアンプ基板は片方の背面に取り付ける。カバーはしないで、接続性と操作性を優先したい。これでボリュームスイッチも利用しやすい。

電子回路がむき出しなのは気になるが、裏側なので見た目の問題はない。自作ならではの割り切りである。バッフルパネルはスマートなコーナーカットデザインにした。

 今回の製作で工夫のポイントは背面のアンプ基板の固定方法だ。M3ボルト4本で固定するのだが、当初リアパネルの4箇所に穴あきLEGOブロックを使って固定穴を開けようと思ったが、基板の穴ピッチに合わせる事が困難で、基板の付け外しもやりにくいので、方法を変えた。写真2の特殊LEGOブロックはL字型で90度方向に接合ができる。これと穴あきブロックを組み合わせて基板の固定部品を作成する。

穴あきブロックには穴が1つのタイプと2つのタイプがあるのでピッチを調整できる。
また、スピーカーユニットの固定に利用するワッシャ用の丸型穴あきブロックも用意した。
LEGOブロックには本当にさまざまなパーツがあるので、こうした工夫も楽しみなのだ。

写真2 特殊LEGOブロック 写真3 全部品
 
  3. 部品解説

 47号機の全部品を写真3に示す。コンパクトモデルだが、パワードスピーカーシステムなので部品点数が多い。

 製作した個々の部品を紹介する。写真4はスピーカーユニットを取り付けるバッフルパネルである。日の字型の枠構造で3.3mm厚さのプレートブロックを3段に組んである。このようにプレートブロックを3段重ねると十分な強度が得られる。表面にはブロックのポッチをカバーするタイルブロックをつけて見栄えを良くする。

このタイルブロックは見栄えだけでなく、スピーカーユニットとの隙間を無くすためにも必要である。左右の縁にはスロープブロックでコーナーカットデザインとしたが、これは高音域がバッフルパネルの縁で反射することを防ぎ、音質的にもメリットがある。
右下にはNo.47のエンブレムを付ける。エンブレムはテープライターの金文字の透明テープで印刷してタイルブロックに貼って造る。

 スピーカーユニットを取り付ける上下2箇所のマド穴には、4隅に2mm厚さのウレタンシール片を貼ってある。これでスピーカーユニットとの少しの隙間を埋めることができる。

写真4 バッフルパネル 写真5 リアパネル

  リアパネルを写真5に示す。プレートブロックを3段重ねて9.6mmの厚さ。
板構造は弱くなりがちだが、この小サイズでは強度も大きい。今回は接続ケーブルはターミナルを使わずに直接エンクロージャから引き出す仕様なので、穴あきプレートブロックを3枚互いに重ねて1穴が貫通して開いている。

 片側のリアパネルには裏面にアンプ基板を取り付けるための部品を先に紹介した特殊ブロックで造る。試行錯誤して穴位置を基板の取り付け穴に合わせた。このパズルのような工程も楽しい。

 フレーム(写真6)は先に述べたようにカラフルなモザイク調。ブロック壁のように必ずLEGOブロックが交互になるように組んである。こうしないと強度が低下する。
厚さはポッチ2列の16mmで5段積み上げて48mmの長さとなる。前面1段はスピーカーユニットを固定するナットと干渉するので、ポッチ1列の8mm厚さとなっている。

 写真7はスピーカーユニットDAYTON AUDIO  ND65-8である。4個のうち2個にケーブルをハンダ付けする。本機ではターミナルを使わないので、抜け防止に縛っている。ケーブルの長さは適当にしたが、アンプ基板を搭載する片側は短く、他方は長くした。

 パッシブラジエーターとして使用するユニットにはダンピング抵抗器を付ける。
とりあえず51Ωを付けたが、これは試聴で調整する予定である。

 写真8がUSBデジタルパワーアンプ基板である。DigiFi誌13号に付属していたもので、パソコンにUSBで接続して、USBパワーのみでD/A変換と10W+10Wの出力が得られる。
別に電源が要らないので接続が容易で便利な点が特徴である。基板のメーカーはOlasonicで、この方式では定評がある。

 USBポートの規格は5Vで最大500mAなので、電力では最大2.5Wとなる。計算が合わないが、大きなコンデンサーに電力を溜めておいて最大出力10+10の20Wを得る方式なのだ。したがってコンデンサーのチャージがなくなると出力が減少して大きな歪が出てしまう。使用するスピーカーユニットのND65-8は能率(効率)が良くないので大音量の再生は困難であろう。

 その他の必要な部品を写真9に示す。ボルトとナットはスピーカーユニット固定用のM4ボルトが16本、M4ナットはダブルで使うので32個用意した。ボルトは長めの25mm。
大きなM4ワッシャを16個、さらに先に紹介した穴あき円形プレートブロックが16個。
基板を固定するM3ボルトは20mm長を4本とM3ナット、ワッシャ4個。
薄い小径ゴム足シールを8個。USBケーブルは本体が軽いので細めのタイプを選んだ。

写真6 フレーム 写真7 スピーカーユニット
写真8 パワーアンプ基板 写真9 その他の部品

 部品の購入費用としては、LEGOブロックがフレーム用のパッケージ品が約5000円(なぜか最近値段が上がった)、パネル用のプレートブロックとタイルブロックが約400個で@20円として8000円。スピーカーユニットが@3000円で12000円。アンプ基板の書籍バックナンバーが約6000円(もう入手困難かも)。その他ネジ類で約1000円として、総額は約3万2千円だった。ちょっと高いなあ。

 
  4. 製作

 組み立てを行う。まずはバッフルパネルに下側のパッシブラジエーターユニットを固定する。M4ボルト4本とM4ナット8個、ワッシャ4枚と丸型穴あきプレートブロック4個を準備する(写真10)。この丸型ブロックの穴に小さな突起があり、M4ボルトに引っかかるので、あらかじめヤスリなどで広げておく必要がある。

 LEGOブロックの加工作業は強度が落ちるのであまりやりたくはないが、この程度なら問題ない。LEGOは丈夫なABS樹脂製だが簡単に加工できる。さらに表の4つのポッチもニッパで落としてしまうとシンプルな円盤状になり使い易い。

 パッシブラジエーターユニットの固定の様子を写真11に示す。
四角いマド穴の縁にワッシャと丸型プレートブロックで引っ掛けてナットで締める。
この作業には多少コツが必要だが、スピーカーユニットを正確に中央に固定する。
ナットはダブルにして緩みを防止するが、締め付けすぎには注意が必要だ。丈夫なLEGOブロックもナットの力では簡単に割れてしまう。
4隅に貼ったウレタン片で隙間ができていないことを確認する。

写真10 バッフルパネル準備 写真11 パッシブラジエーター固定

 次にケーブルの付いたメインユニットを準備する(写真12)。
バッフルパネルにスピーカーユニットを固定して、バッフルパネルの組み立て完了(写真13)。ボルト4本で固定しているので、しっかりと固定することができる。このスピーカーユニットの固定が不十分だと異音発生の原因となる。

 バッフルパネルをフレームに取り付ける(写真14)。先に記したようにスピーカーユニットの固定ナットが当たらないようにフレームの前面は一列落としてある。このため、LEGOブロックの接合力は低下するが、このサイズであれば問題はない。むしろ外し易くなるのでメンテナンス性が向上する(写真15)。

写真12 メインユニット準備 写真13 バッフルパネル組み立て完了
写真14 フレーム取り付け 写真15 フレーム内部

 リアパネルを準備する(写真16)。これはアンプ基板を搭載しない方のチャンネルである。シンプルなリアパネルだが、ケーブル引き出し用の穴が開いている。接続ケーブルにはこの4mm径の穴を通る太さを選ぶ必要がある。引っ張っても抜けないように結んでおくことも重要。また、隙間が少なくなるように熱収縮チューブをケーブルの穴位置にかぶせた(写真17)。

 アンプ基板を装着する方のリアパネル(写真18)。基板はM3ボルト4本で固定するが、あらかじめ穴あきLEGOブロックにワッシャとともに通しておき、後から基板をナットで固定する。基板に力が加わると問題となるのでリアパネルの固定後に装着するのだ。
この穴あきブロックは先に紹介した特殊ブロックで90度固定方向を変えている(写真19)。

写真16 リアパネル準備 写真17 リアパネル固定
写真18 アンプ側リアパネル準備 写真19 アンプ側リアパネル固定

 アンプ基板をM3ナットで固定する(写真20、21)。
ケーブルを接続してゴム足を貼り付ければ組み立て完了である。
ケーブルはL、Rどちらにも接続できるのでアンプ基板搭載側を左右どちらにしても良いが、左右を間違えないように注意したい。

写真20 アンプ基板準備 写真21 アンプ基板固定

 組み立てた47号機を写真22に示す。表からはアンプ基板が見えないのでパワードスピーカーとはわからない、とてもコンパクトなスピーカーシステムになった。
ダブルスピーカーユニットがデザインの特徴で、バッフルパネルのコーナーカットがよりスマートに見せている。側面のカラフルなモザイク調デザインもポップで良い感じに仕上がった。アンプ基板は写真23のように背面に装着されている。露出した回路がちょっとサイバーな感じだ。スピーカーケーブルは先端をハンダメッキしておき、アンプ基板のワンタッチコネクタに接続する(写真24)。

 だが、このままではショートや基板の破損が気になってきた。そこで、DigiFi誌純正のアクリル基板カバーを装着した(写真25)。基板の固定強度も向上して安全に使用することができる。

写真22 47号機外観 写真23 背面の様子
写真24 側面の様子 写真25 基板カバー装着
 
  5. 試聴

 それではお楽しみの試聴である。ノートパソコンのUSBコネクタに接続してみる。
簡単に認識して標準のデバイスドライバで使えるようになった(写真26)。

 その音は・・・残念ながら期待ほどの低音が出ない。どうもパッシブラジエーターのダンピングを強くかけ過ぎたようだ。容積のとても小さなエンクロージャなので強く背圧がかかると想定してダンピング抵抗を51Ωにしたのだが、もともとこのスピーカーユニットはfoが80Hzと低く、ウーハーのような特性なので振動板が重く、ダンピングは不要かもしれない。抵抗がないとユニットが自由に動けるので低音域増強効果が高まるのだ。

 抵抗器を外して再度試聴する。
結果は良好に改善した。サイズからは想像できないダイナミックな低音が得られるようになった。高音域はメタルコーンだが刺激音が感じられずにきれいな音だ。
コンパクトなので音像の定位に優れ、音が良く広がって音場感も良好である。
これは音楽を楽しめるモデルにできた。
 ・・・ところが、また新たな問題発生。

写真26 試聴の様子
 
  6. 考察

 問題とは、十分な音量が出せないことである。予想はしていたが、使用したスピーカーユニットND65-8の能率は78.3dB(/1W/1m)で、一般的な8cmスピーカーと比較して約10dBも小さいので、電力では10分の1、つまり音量が10分の1になってしまう。

同じスピーカーユニットを用いた45号機の製作リポートでも述べたが、今回のデジタルアンプはさらにUSBパワーのみで動作するので、10W+10Wの出力でも足りないのだ。

音量を上げていくと電力不足で急激に歪が増える。音質が良いだけにこれは残念で、BGM用途なら良いのだが、リスニングにはちょっと物足りない。
私が大音量派なのかもしれないが、これは工夫のしどころである。

 先に述べたようにUSBコネクタの出力電力は最大2.5Wで、デスクトップ型パソコンでは例外的にスマホなどの充電用に1A程度の出力電流の大きなUSBコネクタもあるが、ノートパソコンでは無理である。そこで、USBの電力供給用二股ケーブルを用いてみた。
写真27のこの延長ケーブルはUSBプラグが2つ付いていて、赤い方は電力供給のみに使われる。2つのコネクタを共用することで2倍の5Wの電力を得るものである。
この効果は大きく、だいぶ音量を上げることができた。

 使い易さを考えてUSBケーブルには細くて長いものを選んだが、これも間違いであった。
考えて見ればアンプの電源ケーブルなのだから、太くて短いほうが良いに決まっている。
写真28の太いUSBケーブルに交換したところ、さらにダイナミックな音になった。
デジタルケーブルとはいえ、本当にアナログ的である。

写真27 二股USBケーブル 写真28 太いUSBケーブル

 完成した47号機はコンセプトのとおりにパソコンにUSBで簡単に接続してよい音が楽しめるパワードスピーカーシステムにできた。
使用したスピーカーユニットDAYTON AUDIO ND65-8の低音再生能力が高く、これを2個用いてパッシブラジエーター方式とすることで、コンパクトモデルであるが充実した低音域の再生を得ることができる。ノートパソコンに手軽に接続して使うことを想定しているので、音量は大きくは上げられないがデスクトップで普通に音楽を楽しむには十分だろう。小音量でも高音域と低音域のバランスが良い点も評価できる。

 使用したデジタルパワーアンプはまったく発熱がなく、USBからの少ない電力供給のみで動作するのはたいしたものである。カラフルなモザイク調のフレームデザインもおしゃれなノートパソコンにマッチしていると思う。

 47号機はLEGOスピーカーらしい楽しいモデルとして仕上がった。

 

<47号機 基本仕様>
  ・ 形式:USBパワードスピーカーシステム
  ・ 方式:パッシブラジエーター方式
  ・ 組み立て方法:ホリゾンタルタイプ(水平組み立て)
  ・ 使用ユニット:
       メインユニット DAYTON AUDIO  ND65-8 65mmメタルコーンフルレンジ
       パッシブラジエータユニット 同上
  ・ 外形寸法:W88mm H160mm D67mm(アンプ部除く)
  ・ 実効内容積:約250cc
  ・ デジタルパワーアンプ:Olasonic DigiFi No.13
  ・ パッシブラジエーターダンピング抵抗:オープン
  ・ システムインピーダンス:8Ω

 
  7. バリエーションモデル

  この47号機をパソコンだけでなくiPodにも接続してみたくなってきた。
さて、どうしようか?

 新刊のDigiFi誌17号に付属していた基板(写真29)はアナログ入力のデジタルパワーアンプである。USBコネクタのACパワーアダプタも付属していて12W+12Wの出力が得られるアンプだ。このACアダプタはパソコンのUSBパワーよりも大きな1Aの電流を供給できる。

 現状のアンプ基板からUSB接続のD/Aコンバーターを除いたような構成だが、アナログ入力が可能なのでiPodやCDプレーヤーを直接接続して楽しむことができる。ただし、ボリュームがないので音量調整の付いた機器を接続する必要がある。

この基板を47号機に載せ換えることでアナログ入力対応のバリエーションモデルを造ってみよう。

 基板のサイズと穴位置が異なるので、専用のマウントパーツをLEGOブロックで造る。
リアパネルの背面にアンプ基板を簡単に載せ換えることができた。基板の固定位置は入力のRCAピンコネクタの接続がしやすいポジョンに調整するが、このあたりの自由度もLEGOブロックならではである(写真30)。

写真29 アナログ入力アンプ基板 写真30 アンプ基板交換

 iPodを接続して聴いてみよう。電源供給のためにACアダプタをつなぐ必要があるが、パソコンよりもさらに手軽に音楽を楽しめる。USBパワーよりもパワフルなので音量もさらに強化した。この47号機バリエーションモデルは、とてもコンパクトなサイズだが、低音域にも迫力があり、BGM用はもちろん、本格リスニングにも使えるパワードスピーカーシステムになった。

 
  8.おわりに

  47号機は使用するLEGOブロック数や部品点数も少なく製作しやすい機種で、実用的で音質も良いのでお勧めである。ぜひあなたもLEGOスピーカーの製作にトライして見てほしい。

(2015.5.6)

 
     


写真31 iPodで聴く47号機

 
 
 
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