スピーカネットワークをご自分で設計して楽しまれている方が多いと思います。
WEBにある計算ツールで、コイルとコンデンサの値を組み合わせ、実際の視聴により、少し容量を変えて楽しまれていると思います。
でも、片方だけ、容量を大きくすると、ある帯域だけ、増幅(ピーク)が生じることがあります。私も、デジタルアンプの出力段にもフィルタが装着されていて、超高域にピークが観測さ、実感しました。はじめは、アンプの特性かと思っていたのですが、じつは、最終段の12dB/Octのフィルタのコンデンサの容量が大きいのが、原因でした。
(もちろん、デジタル固有の高調波ノイズ対策の為の副産物だったのですが。)
その不思議を綴ってみたいと思います。
はじめに
デジタルアンプのf特
以前取り扱いした、JBLのデジタルアンプのf特です。
なにやら20kHzにピークがあり、はじめは、デジタルの特性かと考えていました。
ですが、ネットワークの計算を行ったところ。
ピタリと一致しました。
LCフィルタで増幅?
コイルとコンデンサを組み合わせてスピーカのネットワークに何気なく使っていましたが、その値の計算方法は、いろいろな便利ツールを使うだけで、その計算方法を理解していませんでした。
なぜ、フィルタなのに、出力レベルが上昇してしまうのでしょうか?
外部電源もないのに、なぜ電圧が上昇するのでしょうか、それも8dB、約倍にも。
おさらい
ここで、ネットワークの計算をおさらいしてみました。当方の備忘録も兼ねていますので、ご存じの方は、読み飛ばしてください。
6db/Oct フィルタ
LowPassを題材に、簡単な回路図にすると
計算式にすると
となります。
ωは、周波数x2π ですので、周波数が高くなると抵抗値が大きくなる、特性がわかります。
jは虚数で、虚数空間と実数空間を分けられるよう工夫されています。
参考例として10kで-3dBを計算してみました。
ゆっくり、減衰しているのがわかります。
100kHzでやっと、1/10になります。
12db/Oct フィルタ
クロス後なるべく減衰させる為、ここにコンデンサを追加するのが12dBのネットワークです。
ネットワークの計算ツールはありますが、計算式は、なかなか見かけません。
モジュールが直並列になっているので、少し厄介です。
(理解するまで、結構、考えてしまいました。)
コンデンサとスピーカの並列計算
最初にスピーカとコンデンサの並列回路で計算します。
抵抗の並列計算と同じアドミタンス(電流の流れやすさ)の加算になります。
少し、不思議なことをしていますが、、合成インピーダンスの大きさを、ベクトル式に戻して、わかりやすくしてみました。
この時、虚数部と実数部を分けると、あとあと、便利です。
コイルを加算すれば12dBに
その後、コイルのインピーダンスを加算すれば、12dBのベクトル式が求まります。
コイルは、虚数部のみですので、かんたんにベクトル式に加算できます。
同じカットオフ周波数なのですが、コイルの容量が違います。
12dBの方がコイルが大きいのに、6dBと同等の周波数より減衰が始まります。
デジタルアンプ例
スピーカネットワークがデジタルアンプに入っている?と思われる方もいらっしゃるかもしれいませんが、必ずLow Passフィルタがデジタルアンプには入っています。
デジタルの高周波数サンプリングが、スピーカに印加されるのを防ぐためです。
このJBLでも 約250mVと大きな電圧が印加されているようです。
デジタルアンプのフィルタ数
ここで、冒頭のデジタルアンプフィルタの特性を見てみましょう。
約30kHzで約倍の8dBまで増幅していることがわかります。
これは、黄色のインピーダンスをみると分かるのですが、途中、インピーダンスが低くなっているのがわかります。
すなわち、8Ωのスピーカなのに、抵抗値が1オーム程度まで下がり、極端に、電流が大きくなっていることがわかります。
この時、コンデンサの両端の電圧が上昇し、すなわちスピーカに大きな電圧が印加され、増幅現象が生じます。
一種のDC/DCコンバータの動きに似ています。
係数変化によるf特の影響
今度は、コイルを一定にして、コンデンサの容量を変えてみます。
コンデンサの容量が適正だと-12dB/Octになりますが、コンデンサの容量が大きくなると、増幅します。
まとめ
当方は、ネットワークでもとの電圧以上の電圧がかかることは、予期していませんでした。よく考えてみると、納得なのですが、いままで、安易にコンデンサやコイルの組み合わせを行っていましたが、少し気をつける必要があります。
便利なネットワークの計算ツールは、コンデンサとコイルの値をそこそこ適正値に合わせてくれますが、スピーカのインピーダンスや、片方の値だけで調整するのは、注意が必要で、数割程度が無難では、ないでしょうか。
やっと、ネットワークの計算ができたので、デジタルアンプのフィルタを-24dB等で対策してみたいと思います。お楽しみに。
下記は、エクセルの計算シート例です。
作ったExcelシートは、ご要望の方、ございましたなら、ご連絡お願いします。
Mailにて配信させていただきます。
カスタムナカミチアンプ
オークションに当方が電源ノイズ極小カスタムしたアンプを出品していることがあります。数が少ないので、遭遇された場合は、お早めのご入札、ご検討ください。