スピーカーの電力処理の舞台裏

スピーカーの電力定格に関する記事を何年にもわたって書いてきましたが、その話題はほとんどの人が関心を持たないもののようです完全に理解します。この記事は、プレミアムで評判の良いメーカーがスピーカーの電力処理能力をどのように評価するかについてのリファレンス ガイドとして役立ちます。まず、アンプからの電力によって発生する熱にスピーカーがどのように対処するかについて、スピーカー設計の物理を見てから、ピンク ノイズを使用して電力定格を作成する方法を説明します。

ラウドスピーカーの効率とパワー

残念ながら、スピーカーは効率が悪いことで知られています。拡声スピーカーで使用される高効率の 8 インチ ミッドレンジ ドライバーは、アンプからの電力の約 1.3% しか音響エネルギーに変換できません。残りはボイスコイルで熱に変換され、続いてマグネット、T ヨーク、コーンなどのコイル周辺の部品で熱に変換されます。

カーオーディオ用に設計されたスピーカーは、より広い周波数範囲で動作する必要があるため、効率が大幅に低下することがよくあります。感度定格が 90 dB 1W/1M のミッドレンジ ドライバーの場合、効率はわずか 0.63% です。

100 ワットの白熱電球がどれだけの熱を発生するか考えてみてください。以下は、100 ワットの電球を 60 秒間オンにした熱画像です。電球のガラスベースは、すでに摂氏 90 度 (華氏 195 度) を超える温度に達しています。明らかに熱すぎて触ることができず、熱くなり続けるだけです。簡単な調査によると、白熱電球の効率は約 2.2 です。この効率の欠如は、熱の発生をラウドスピーカーの熱の発生と比較するという点で、非常によく似ています。すぐにサブウーファー以外に多くの電力を供給するためのロジスティクスと現実について説明します。

スピーカーの熱への対処方法

スピーカー内の熱は、ボイスコイルの巻線で発生します。銅、アルミニウム、またはその両方の組み合わせであるかどうかに関係なく、すべての熱は比較的小さなワイヤのコイルに集中します。ボイスコイルと直接接触する唯一のコンポーネントは、驚くことではありませんが、ボイスコイルフォーマです。カーオーディオ用スピーカーのボイスコイルフォーマーには、クラフト紙、3M社のTufQUINなどの合成絶縁紙、ノーメックスやボンデックスなどのアラミド繊維、アルミなどの素材が使われています。これらの素材はそれぞれ、異なる断熱特性と熱伝導特性を持っています。

ボイスコイルからの熱を処理しなければならない次のスピーカーコンポーネントはトッププレートです。ほとんどの場合、トップ プレートは磁石 (または磁石) に取り付けられたスチール片で、磁場をボイス コイルに集中させます。トッププレートはボイスコイルと接触していませんが、2 つのコンポーネントは互いに非常に接近しています。スピーカーのボイスコイルの冷却の大部分は、熱がトッププレートに伝達され、続いてモーター構造に伝達されることに起因する可能性があります。多くのラウドスピーカー メーカーは、特にサブウーファーの冷却をさらに強化するために、トップ プレートの周囲に十分な空気の流れを確保するために多大な努力を払っています。

磁場ループを完成させるモーター構造の一部であるTヨークも、ボイスコイルとフォーマーから熱を逃がすのに役立ちます。 T ヨークは、ほとんどの設計でボイス コイル フォーマーの内側にあります。

サブウーファーのボイスコイル径とパワーハンドリング

熱を処理するデバイスの能力は、そのサイズによって決まります。 1/8 ワットの抵抗器は、1 ワットの抵抗器よりもはるかに小さいです。一般に、コンポーネントのサイズによって、表面積の量と熱を空気中に伝達する能力が決まります。スピーカーでは、サブウーファーのボイス コイルの巻き線の直径と長さは、スピーカーがどれだけの熱を処理できるかを示す良い指標です。

例として、人気のあるサブウーファー メーカーの製品範囲を見ると、直径 2 インチのボイス コイルを備えたサブウーファーの定格は 250 ワットであることがわかります。直径 2.5 インチのコイルにステップアップすると、電力定格が 500 ワットに増加します。 3 インチのコイルを備えたサブウーファーの定格は 600 ワットで、競争レベルのウーファーには、定格がそれぞれ 2,500 ワットと 3,000 ワットの巨大な直径 4 インチと 5 インチのコイルがあります。

これらの各ボイス コイルの物理的なサイズ (高さ) は提供されていないため、2,500 ワットを超える電力処理へのジャンプには、コイル巻き線の高さと関連する表面積の大幅な増加が伴うと考えて間違いありません。

高周波スピーカーのボイスコイルのサイズ

サブウーファー以外の電力処理について話すには、ある程度の常識が必要です。ミッドレンジ スピーカーの定格電力を慎重に検討してください。別の人気のあるブランドを調べて、ボイスコイルの直径が、いくつかの 6.5 インチ ミッドレンジ スピーカーの電力処理仕様とどのように関連しているかを見ていきます。このブランドには、定格 70 ワットの 1 インチ コイルのドライバーがあり、1.25 インチ コイルの定格は 1 つのシリーズで 80 ワット、ハイエンド ソリューションでは 100 ワットです。 1.25 インチ コイルのさまざまな電力定格は、巻線の全体の高さが熱容量にどのように影響するかを示しています。

さて、ツイーターについて話しましょう。カーオーディオアプリケーションのツイーターは非常に小さく、率直に言って非常に壊れやすいです。ツイーターのボイスコイル巻線は非常に細いワイヤーでできており、24 ゲージよりも小さいことがよくあります。ソフトドームツイーターの直径が 1 インチであっても、大きなパワーを処理することはできません。では、少なくとも 5 倍の高さのボイスコイル巻線を備えたミッドレンジ ドライバーが 100 ワットしか処理できないことがわかっている場合、メーカーはツイーターの定格を 100 ワット以上に設定するにはどうすればよいでしょうか?その答えは、メーカーがスピーカーをテストする方法にあります。

ピンクノイズとは

スピーカーのパワーハンドリングがどのように評価されるかの説明に入る前に、ピンクノイズと呼ばれるものを詳しく調べる必要があります.ピンク ノイズは、0Hz のすぐ上からオーディオまたはコンピューターのオーディオ ファイル形式の上限までのランダムな周波数で構成されるオーディオ信号です。従来の CD 品質の .wav ファイルの場合、これは 22.05 kHz になります。

ピンク ノイズでは、各オクターブに同量のノイズ エネルギーが含まれます。これは、100 Hz から 200 Hz までのオクターブには、1 kHz から 2 kHz までのオクターブと同じ量のノイズ エネルギーが含まれていることを意味します。各オクターブのパワーも、信号の周波数に反比例します。これは数学のしくみの大まかな概算ですが、100 Hz と 200 Hz の間には 100 Hz があり、1 kHz と 2 kHz の間には 1,000 ヘルツがあります。ピンク ノイズ信号では、1 ～ 2 kHz の帯域が 10 倍の空間に広がっています。

ピンク ノイズ オーディオ信号のスペクトル分析は次のようになります。

20 Hz を超えると、周波数が増加するにつれて、信号のレベルがディケードあたり -10 dB の割合で減少することがわかります。これは、1 kHz での信号エネルギーが 100 Hz での信号エネルギーよりも 10 dB 少ないことを意味します。この信号強度の低下をアンプからの電力に関連付けると、比率も 10 倍になります。

オーディオ システムでピンク ノイズを再生していて、アンプの感度コントロールが 20 Hz で 100 ワットの電力を生成するように設定されている場合、アンプは 10 ワットを生成します。 2 kHz でアンプは 1 ワットを生成し、20 kHz でアンプは 0.1 ワットの電力をスピーカーに供給します。

音楽のパワー密度

スピーカーの電力定格に到達する前に検討すべきもう 1 つのトピックは、私たちが聴いている音楽にオーディオ エネルギーがどのように分布しているかです。 6 つのオーディオ トラックを調べ、上記のピンク ノイズの波形と同じ方法で、Adobe Audition でそれらのスペクトル コンテンツを分析しました。結果を以下に示します:

この適度に多様な音楽トラックのセレクションからわかるように、オーディオ エネルギーはピンク ノイズ トラックと同様に分布しています。このため、多くのメーカーはピンク ノイズ信号を使用して、スピーカーの電力処理能力をテストしています。

スピーカーの電力処理のテスト方法

ブランドに応じて、さまざまな企業がさまざまなプロセスを使用してスピーカーの電力処理能力をテストしています。テスト手順の詳細な仕様を持っている会社もあれば、サプライヤーから提供されたデータのみに依存している会社もあれば、設計に使用されているボイスコイルのサイズに基づいて推測している会社もあることに注意してください。これは、製品の設計と開発に多大な労力を費やす企業と、カタログからソリューションを選択し、バスケットとダスト キャップに名前を刻印する企業との主な違いの 1 つです。

適切に設計されたスピーカー テスト プロセスには、いくつかの手順が含まれます。最初の例ではサブウーファーを使用します。テストを実行する技術者は、正弦波オーディオ トラックを使用してアンプの出力を設定し、テストする電力レベルに相当する電圧レベルを表します。 200 ワットの電力レベルでテストされる 4 オームのサブウーファーの場合、正弦波電圧は 28.28 ボルト rms または 40 ボルト ピーク ツー ピークである必要があります。この振幅が設定されると、20 Hz で等しい振幅に相当するピンク ノイズが再生され、ドライバーがテストされます。

レベルが設定され、スピーカーがテスト フィクスチャに取り付けられると、このピンク ノイズ トラックは、スピーカーが故障するか、十分な時間が経過するまで、継続的なレベルで再生されます。多くの企業は最低テスト時間として 8 ～ 10 時間を使用しており、一部の企業はこれを 100 時間まで延長しています。スピーカー内の温度が安定した後、スピーカーを組み立てるために選択された接着剤と材料の適合性と信頼性を確認するために、長時間のテストが役立ちます。本質的に、これは物理的なテストであると同時にパワーハンドリングテストにもなります.

ブランドによって異なりますが、スピーカーがテストに合格するためには、ドライバーの Thiele/Small パラメーターがテスト開始前から所定量以上変化していない必要があります。電気機械特性の大幅な変化は、テスト中に何かが損傷した可能性があり、過度の熱が発生したことを示しています。

ミッドレンジおよび高周波数スピーカーのテスト方法

ミッドレンジ ドライバーとツイーターは高いエクスカーション レベルを処理できないため、ウーファーと同じ方法でテストされますが、テスト信号はハイパス フィルターを通過します。以下に例を示します:

4 オームのツイーターをテストしたいとしましょう。上記の基準を使用して 100 ワットの電力処理をテストしたいとします。これは、20 ボルト rms または 28.28 ボルト ピーク ツー ピークの正弦波レベルに相当します。テストは、スピーカーに接続されていない状態で正弦波を使用して 20 Vrms を生成するように校正されたアンプから始まります。レベルが設定されると、製造元が指定するハイパス フィルターを通してピンク ノイズが再生されます。この例では、フィルターが 2 kHz に設定されているとします。

これは、テスト信号のスペクトル分析がどのように見えるかです.

テスト信号の平均ピーク レベルは、全帯域幅信号の 20 Hz の場合よりも約 20 dB 低くなります。オーディオ信号のパワーに関しては、1/100 のパワーがあります。または 1 ワット。

100 ワットのピンク ノイズ パワーを処理する定格のツイーターが、2 kHz 以上でテストされ、1 ワットのパワーでしかテストされていないということですか?絶対！それがまさにその仕組みです。音楽の物理について考えてみましょう。ツイーターによって生成されるオーディオは、ミッドレンジ ドライバーおよびウーファーまたはサブウーファーのオーディオとバランスが取れている必要があります。

現実の世界では、そのツイーターは 1 ワット以上の電力を処理できる可能性があります。 10Wまで対応できそうです。これは、1,000 ワットのピンク ノイズを処理できるドライバーとして評価することをお勧めしますか?ありそうもない。ピンク ノイズの仕組みを理解していない人は、正弦波トラックを使用してツイーター アンプのゲインを設定し、ツイーターに 63 ボルト (1,000 ワット) を供給しようとします。もちろん、同じ人がスピーカーの製造元に電話して、ツイーターが「壊れて」いて、ゲイン コントロールの設定しかしていないと文句を言うでしょう。

電力処理仕様のポイントは何ですか?

ピンクノイズを使用するスピーカーの電力処理定格は、フルレンジのホームスピーカー用に確立された基準に基づいています。このテストは、大音量レベルを聴いたときにスピーカーが経験することを模倣しており、スピーカーを損傷することなくスピーカーを最大限に活用するのに適したアンプの定格電力を示すことを目的としています。この仕様では、アンプがクリッピング状態になったときに何が起こるかを考慮していません。これについては別の機会に触れます。

今のところ、オーディオ システムのセットアップはサブウーファー アンプの感度コントロールの設定から始め、次にミッドレンジとツイーターのチャンネル レベルを上げてバランスの取れたシステムを作成する必要があります。おそらく、ミッドアンプとツイーターアンプから最大パワーに近づくことはできません。ああ、ツイーターを駆動するのに 150 ワットのアンプは必要ありません。