音響伝送線路

音響伝送線路は、長いダクトを使用して、音響導波管として機能し、歪みのない方法で音を生成または伝送するために使用されます。技術的には、電気伝送線路の音響 版であり、通常は、その中の音の波長に対して長くて細い、剛性壁のダクトまたはチューブとして考えられます。

伝送線路 (TL) 関連の技術の例には、音を最小限の損失と歪みで別の場所に伝送する(ほとんどが廃止された)スピーキング チューブ、部分的に伝送線路としてモデル化できるパイプ オルガン、木管楽器、金管楽器などの管楽器(ただし、設計には音の生成、音色の制御、効率的な外気への結合も含まれます)、同じ原理を使用して低音域を正確に拡張し、歪みを回避する伝送線路ベースのスピーカーなどがあります。音響ダクトと電気伝送線路の比較は、音響システムの「集中要素」モデル化に役立ちます。このモデル化では、ボリューム、チューブ、ピストン、スクリーンなどの音響要素を回路内の単一の要素としてモデル化できます。電圧を圧力に、電流をボリューム粒子速度に置き換えると、方程式は基本的に同じになります。^[2] 電気伝送線路は、チューブ内の波の周波数が臨界周波数を下回り、完全に平面である場合に、音響チューブとダクトを説明するために使用できます。

位相反転は、対象となる最低周波数の 1/4 波長に等しい長さのラインを選択することで実現します。この効果は図 1 に示されており、一方の端 (スピーカー) にハード境界があり、もう一方の端にオープンエンドのライン ベントがあることを示しています。バス ドライバーとベントの位相関係は、周波数が 1/4 波長に近づくまで通過帯域で同相であり、関係は図に示すように 90 度に達します。ただし、この時点ではベントが出力の大部分を生成しています (図 2)。ラインはドライブ ユニットとともに数オクターブにわたって動作するため、コーンの偏位が低減され、反射および無限バッフル設計と比較して、より高い SPL とより低い歪みレベルが実現されます。

特定のベース拡張に必要なラインの長さの計算は、単純な式に基づいて簡単に行えます。

${\displaystyle \ell ={\frac {344}{\,4\times f\,~}}}$

ここで、は音の周波数（ヘルツ（Hz））、は20° Cの空気中の音速（メートル/秒）、 は伝送線路の長さ（メートル）です。 ${\displaystyle f}$${\displaystyle 344}$${\displaystyle \ell}$

ベース ドライブ ユニットの複雑な負荷には、TL 設計の利点を最大限に引き出すために特定のThiele-Small ドライバー パラメータが必要です。ただし、市販されているほとんどのドライブ ユニットは、より一般的な反射型および無限バッフル設計用に開発されており、通常、TL 負荷には適していません。拡張された低周波能力を備えた高効率ベース ドライバーは、通常、非常に軽量で柔軟性が高く、非常に柔軟なサスペンションを持つように設計されています。反射型設計では優れたパフォーマンスを発揮しますが、これらの特性は TL 設計の要求に一致しません。ドライブ ユニットは、質量を持つ長い空気柱に効果的に結合されます。これにより、ドライブ ユニットの共振周波数が低下し、非常に柔軟なデバイスの必要性がなくなります。さらに、空気柱は、大量の空気に通じるドライバーよりもドライバー自体に大きな力を与えます (簡単に言えば、ドライバーが移動しようとすると抵抗が大きくなります)。そのため、空気の動きを制御するには、変形とそれに伴う歪みを回避するために、非常に剛性の高いコーンが必要です。

吸音材を導入すると、ラインを通る音速が下がることが、ベイリーが最初の研究で発見したとおりです。ブラッドベリーは、この効果を調べるための広範なテストを 1976 年の Journal of the Audio Engineering Society (JAES) の論文で発表しました^[3]。その結果、吸音率の高いラインでは音速が最大 50% 下がる可能性があるものの、中程度の吸音率のラインでは 35% が一般的であるという意見で一致しました。ブラッドベリーのテストは、長毛ウールやグラスファイバーなどの繊維材料を使用して実施されました。ただし、これらの種類の材料は、非常に変動の大きい効果を生み出すため、生産目的で一貫して再現することはできません。また、動き、気候要因、経年変化による影響によって、一貫性がなくなる可能性もあります。PMC などのスピーカー製造業者が開発した、長毛ウールに似た特性を持つ高仕様の音響フォームは、一貫した生産で再現可能な結果を​​もたらします。ポリマーの密度、細孔の直径、彫刻されたプロファイリングはすべて、各スピーカー モデルに適切な吸音率を提供するように指定されています。フォームの量と位置は、低域の低音域が妨げられることなく通過できるようにしながら、高域の低音域を適切に減衰させるローパス音響フィルターを設計する上で非常に重要です。

このコンセプトは、1936 年以降に Stromberg-Carlson 社のコンソール ラジオで使用されたときに「音響迷路」と名付けられました (Concert Grand 837G Ch= 837 Radio Stromberg-Carlson Australasia Pty | Radiomuseum を参照)。ストロンバーグ・カールソンで働いていたベンジャミン・オルニーは、アコースティック・ラビリンスの発明者で、1936年10月にアメリカ音響学会誌に「キャビネット型スピーカーの空洞共振をなくし、低周波応答を拡張し、音響減衰を高める方法」と題する記事を執筆しました（[1]参照）。ストロンバーグ・カールソンは、1952年7月のオーディオ・エンジニアリングの記事（28ページ）（[2]参照）や、1952年以降Hi-Fiマガジンに多数掲載された広告からも明らかなように、1952年には早くも12インチまたは15インチの同軸ドライバー用のアコースティック・ラビリンス・スピーカー・エンクロージャーの製造を開始しました。伝送線路型のスピーカー・エンクロージャーは、1965年10月にARベイリー博士とAHラドフォード博士によってWireless World（p483-486）マガジンで提案されました。記事では、ドライバーユニットの背面からのエネルギーは、コーンの動きを減衰させたり、内部反射や共鳴を重ねたりすることなく、基本的に吸収できると仮定していたため、ベイリーとラドフォードは、背面の波を長いパイプに流すことができると推論しました。音響エネルギーが吸収されれば、共鳴を励起するのに利用できなくなります。十分な長さのパイプをテーパー状にして詰め物を入れることで、エネルギー損失がほぼ完全になり、開放端からの出力が最小限に抑えられます。理想的なテーパー (拡張、均一な断面、または収縮) に関する幅広いコンセンサスは確立されていません。

音響伝送線路は、1960年代から1970年代にかけて、スピーカー内での使用で注目を集めました。1965年、ワイヤレスワールド誌に掲載されたARベイリーの論文「非共鳴スピーカーエンクロージャ設計」 ^{[4]では、実用的な伝送線路が詳しく説明されました。この伝送線路は、ジョン・ライトとそのパートナーによって}IMF 、後にTDLというブランド名で商品化され、米国の オーディオ愛好家アーヴィング・M・「バド」・フリードによって販売されました。

スピーカーの設計では、時間、位相、共鳴に関連する歪みを減らすために伝送線が使用され、多くの設計では人間の可聴範囲の下限、場合によっては近超低音域 (20 Hz 以下) まで優れた低音拡張が得られます。TDL の 1980 年代のリファレンス スピーカー シリーズ (現在は製造中止) には、サブウーファーを別途必要とせずに 20 Hz 以上から 7 Hz 以上までの周波数範囲に対応するモデルが含まれていました。TL設計の提唱者であるIrving M. Fried は、次のように述べています。

「スピーカーは信号波形の完全性を保つべきだと私は信じており、Audio Perfectionist Journal はスピーカーの時間領域パフォーマンスの重要性について多くの情報を提供してきました。時間や位相が正確なスピーカーを評価するのは私だけではありませんが、近年、印刷物で発言している支持者は事実上私だけです。それには理由があります。」

実際には、ダクトは従来の形状のキャビネット内で折り畳まれ、ダクトの開口端がスピーカー キャビネットの通気口のように見えます。ダクトを折り畳む方法は多数あり、ラインの断面は、定在波を助長する平行な内部表面を避けるためにテーパー状になっていることがよくあります。ドライブ ユニットと吸収材の量 (およびさまざまな物理的特性) に応じて、設計プロセス中にテーパーの量が調整され、ダクトが応答の不規則性を除去するように調整されます。内部の仕切りにより、構造全体がしっかりと支えられ、キャビネットのたわみや色付けが軽減されます。ダクトまたはラインの内面は、吸収材で処理され、TL としてドライブ ユニットに負荷をかけるための周波数で適切な終端を提供します。理論的に完璧な TL は、ドライブ ユニットの背面からラインに入るすべての周波数を吸収しますが、無限に長くする必要があるため、理論上のものにとどまります。現実世界の物理的制約により、キャビネットが実際の用途には大きすぎるため、すべての背面エネルギーをラインで吸収できない前に、ラインの長さを 4 メートル未満に抑える必要があることがよくあります。実現された TL では、上側の低音のみが用語の本当の意味で TL ロードされ (つまり、完全に吸収されます)、低音はキャビネットの通気孔から自由に放射されます。したがって、ラインは効果的にローパス フィルターとして機能し、実際にはラインとその吸収性充填物によって音響的に達成されるもう 1 つのクロスオーバー ポイントになります。この「クロスオーバー ポイント」より下では、低音はラインの長さによって形成される空気の柱によってロードされます。長さは、通気孔から出るドライブ ユニットの背面出力の位相を反転するように指定されます。このエネルギーは低音ユニットの出力と組み合わされ、その応答を拡張して、効果的に 2 番目のドライバーを作成します。

音の伝播のためのダクトも、伝送線路のように動作します (例: エアコン ダクト、車のマフラーなど)。ダクトの長さは、そこを通過する音の波長とほぼ同じですが、断面の寸法は通常、波長の 4 分の 1 より小さくなります。管の一方の端で音が導入され、断面全体の圧力が時間とともに変化します。ほぼ平面の波面が音速で線路を伝わります。波が伝送線路の端に到達すると、その動作は線路の端にあるものによって異なります。考えられるシナリオは 3 つあります。

1. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数により、末端出口で圧力ピーク（奇数次高調波オープンパイプ共振）が発生し、ダクトの音響インピーダンスが実質的に低下し、エネルギー伝達レベルが高くなります。
2. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数により、終端出口での圧力がゼロになり（均一な高調波オープンパイプ反共振）、ダクトの音響インピーダンスが実質的に高くなり、エネルギー伝達レベルが低くなります。
3. トランスデューサーで生成されるパルスの周波数は、エネルギー転送が公称値であるか、またはソースからの距離に応じた典型的なエネルギー散逸と一致するピークまたはヌルを生じません。

ウィキメディア・コモンズには、スピーカーに関連するメディアがあります。

• 周波数応答
• スピーカーの音響
• スピーカー測定
• 伝声管
• 伝送線路スピーカー

Wikibooksには、音響伝送線路の計算に関する本があります。

• 1/4波長スピーカー – TLモデリングソフトウェアの開発者、Martin J King氏
• [3] – TL理論と設計
• 伝送ライン スピーカー ページ – TL プロジェクト、履歴など
• Brines Acoustics の記事 (アーカイブ 2009-10-24) – アプリケーション、ヒント、エッセイ
• 1/4波長管 - DiracDelta.co.uk – 動作の説明、方程式、オンライン計算