バスレフ

バスレフシステム（ポート付き、ベント付きボックス、リフレックスポートとも呼ばれる）は、キャビネットに開けられたポート（穴）またはベントと、ポートに取り付けられたチューブまたはパイプの一部を使用するスピーカーエンクロージャの一種です。 ^{[1] [2]}このポートにより、振動板の背面からの音によって、一般的な密閉型またはクローズドボックス型スピーカーや無限バッフルマウントと比較して、低周波でのシステムの効率が向上します。

リフレックス ポートは、この人気のエンクロージャタイプの特徴です。この設計手法により、ウーファーまたはサブウーファーによって生成される最低周波数の再生が向上します。ポートは通常、エンクロージャの前面 (バッフル) または背面に取り付けられた 1 つ以上のチューブまたはパイプで構成されます。ドライバーパラメータ、エンクロージャの容積 (および充填物がある場合)、およびチューブの断面積と長さの間の正確な関係に応じて、同様のサイズの密閉ボックス エンクロージャのパフォーマンスよりも効率が大幅に向上します。

密閉型スピーカーはほぼ気密であるが、バスレフシステムにはキャビネットにポートまたはベントと呼ばれる開口部があり、通常はパイプまたはダクト（通常は円形または長方形の断面）で構成される。 ^{[3] [4]}この開口部の空気塊は、空気の流れが開口部を横切るときにボトル内の空気が共鳴するのとまったく同じように、エンクロージャ内の空気の「弾力性」と共鳴する。よく使われる別の比喩は、空気をバネまたは輪ゴムのように考えることである。ボックス/ポートシステムが共鳴する周波数はヘルムホルツ共鳴と呼ばれ、ダクトの有効長さと断面積、エンクロージャの内容積、および空気中の音速によって決まる。ポート付きスピーカーの初期の頃、スピーカー設計者は、ポートの理想的な直径とポートチューブまたはパイプの長さを決定するために広範な実験を行わなければならなかった。しかし、最近では、キャビネットのサイズに応じてポートの大きさやチューブの長さを計算する表やコンピュータ プログラムが数多くあります。ただし、これらのプログラムを使用しても、エンクロージャの音質が良好かどうかを判断するには、プロトタイプで実験する必要があります。

この通気孔の空気質量/ボックスの空気の弾力性の共鳴が、ベース ドライバーの自然共鳴周波数よりも低い周波数になるように選択されると、興味深い現象が発生します。ベース ドライバーの音放出のバックウェーブは、2 つの共鳴の間の周波数範囲で極性が反転します。^[3]バックウェーブは既にフロント ウェーブと反対の極性であるため、この反転により 2 つの放出が同位相になり (ただし、通気孔の放出は 1 波周期遅れます)、互いに強化されます。これには、より高い出力 (密閉ボックスと比較した任意のドライバー エクスカーションの場合) を生成する、または逆に、より小さなエクスカーションで同様の出力を生成する (つまり、ドライバーの歪みが少ない) という便利な目的があります。この強化によって生じるペナルティは、時間の不鮮明化です。本質的に、通気孔の共鳴は、それに「共鳴テール」を課すことによって、メイン ドライバーの出力を増強します。ドライバーの自然共鳴よりも高い周波数では、反射調整は影響しません。通気孔の共鳴よりも低い周波数では、極性反転は達成されず、バックウェーブのキャンセルが発生します。さらに、ボックスの空気の弾力性がないため、ドライバーは自由空中に浮かんでいるかのように動作します。

スピーカーが家庭用または大音量のライブ パフォーマンス環境 (ベース アンプスピーカー キャビネット、PA システムスピーカー、サブウーファーなど) 用に設計されている場合、メーカーはポートの利点 (低音レスポンスの向上、低音レスポンスの低下、効率の向上) が欠点 (ポート ノイズ、共振の問題) を上回ると考えることがよくあります。この設計は消費者にもメーカーにも人気がありますが (スピーカー キャビネットは、ほぼ同じパフォーマンスでより小型かつ軽量にできます)、低音出力の向上には、ドライバー、エンクロージャー、およびポートの密接なマッチングが必要です。マッチングの悪いリフレックス設計は、残念な特性や欠点を持つ可能性があり、モニタリング施設やレコーディング スタジオなどでオーディオ エンジニアが使用するスタジオ モニタースピーカーなど、高精度でニュートラルなサウンドが求められる環境に適さない場合があります。ただし、これらの欠点をほぼ克服するバスレフ システムを設計することは可能であり、高品質のバスレフ設計は、世界中の要求の厳しい環境で一般的に使用されています。

パッシブ ラジエーターはポート付きバスレフ システムと動作が似ており、どちらの方法もシステムの低周波応答を拡張するという同じ理由で使用されています。^{[5] [6]}パッシブ ラジエーターは、キャビネットにポートの代わりに 1 つ以上の追加のコーン (振動板) を使用します。これらのパッシブ振動板には磁石やボイス コイルがなく、パワー アンプに接続されていません。音響的には、チューニング周波数付近ではポートとほぼ同じように動作します。これは、バス ドライバーの振動板の背面によって励起されるヘルムホルツ共振器としても機能するためです。パッシブ ラジエーターは、パッシブ ラジエーターの振動板の質量を追加または削除することで、寸法に関係なくチューニングできます。これにより、同様にチューニングされたポートが実用的でない、同じボックス チューニングの小型エンクロージャーに役立ちます。また、フルレンジ システムのポート付きエンクロージャーで問題になる可能性のある中音域のパイプの共鳴を回避します。^[7]ただし、効果を上げるには、キャビネットの外側にポートよりもはるかに大きな表面積が必要です。また、これらは実質的にはボイスコイルとモーターマグネットを除いたスピーカードライバーであるため、ポートチューブよりもかなり高価です。

スピーカーのさまざまなパラメータ、エンクロージャのサイズ、ポート（およびダクト）の寸法がバスレフシステムの性能に与える影響は、1960年代初頭までよく理解されていませんでした。その後、AN Thiele、^{[8] [ 9] [10]、} JE Benson ^{[11] [12]}、Richard H. Small ^{[4] [13] [14] [15]}による先駆的な分析により、指定された低周波性能基準を満たすバスレフスピーカーシステムの合成に関する理論的基礎が提示され、一連の「アライメント」（関連するスピーカーパラメータのセット）が開発され、設計者は有用で予測可能な応答を生成できるようになりました。Keele ^[16]は、6次ベントボックススピーカーシステムの新しいアライメントセットを提示することで、設計オプションを拡張しました。これらの結果により、スピーカーメーカーは、さまざまなサイズのエンクロージャに合わせてバスレフスピーカーを設計し、特定のスピーカーにエンクロージャを非常に高い予測可能性で適合させることが可能になりました。物理的な電気機械的な制約のため、小型の筐体に小型スピーカーを搭載して、高効率で拡張された低音レスポンスを実現することは不可能です (つまり、低出力のアンプのみが必要です)。これらの特性のうち 2 つを満たすことは可能ですが、すべてを満たすことはできません。これは、KLHの J. Anton Hofmann が ( Henry Klossと共著で)数年前にEdgar Villchurの研究を要約したことにちなんで、Hofmann の鉄則と呼ばれています。生成される音圧は、スピーカーの効率、ドライバーの機械的または熱的な電力処理、入力電力、およびドライバーのサイズによって異なります。

Novak ^[2]は、バスレフ エンクロージャは、同じサイズの完全に密閉されたボックスよりも、一定の歪みに対して音響出力が大きく、全高調波相互変調が低く、過渡歪みが低いと結論付けました。このような共振システムは、ドライバーの低音応答を増強し、適切に設計されていれば、ドライバー/エンクロージャの組み合わせの周波数応答を、ドライバーが同様のサイズの密閉ボックスで再生する範囲以下にまで拡張できます。エンクロージャの共振には、チューニング周波数を中心とした周波数帯域でのコーンの動きを制限し、その周波数範囲での歪みを減らすという二次的な利点があります。ポート付きキャビネット システムは、同じパフォーマンスのパッシブ ラジエータースピーカーよりも安価です。パッシブ ラジエーター システムには 1 つまたは 2 つの「ドローン コーン」スピーカーが必要ですが、ポート付きシステムには穴またはポートと長いチューブのみが必要です。

密閉型スピーカーと比較すると、バスレフキャビネットは過渡応答が劣っており、その結果、低音に関連する減衰時間が長くなります。^[4]さまざまなハイパスフィルター機能のステップ応答の例が関連図に示されています。各フィルターのカットオフ周波数は 50 Hz です。この図で、(a) は従来の B4 ベントボックス配置のステップ応答を表し、(b) は Q = 0.7071 の B2 密閉型配置のステップ応答を表します。ベントボックススピーカーの過渡応答は、(c) に似た QB3 配置を選択することで改善できます。これにより、B4 配置で生成されるものよりもよく減衰された過渡応答が得られます。ただし、(e) に​​似た C4 ベントボックス配置では、あまりよく減衰されていない過渡応答になります。

ポート付きスピーカー エンクロージャは、低音出力を実現するために、2 つの共鳴をずらします。1 つはドライバーと箱型空気からの共鳴、もう 1 つは箱型空気とポートからの共鳴です。ベント チューニング周波数では、ウーファーの変位が最小であるため、ポートからの出力が主なサウンド出力源となります。これは、同等の密閉型スピーカー エンクロージャよりも複雑で高次のシステムです。2 つの共鳴の相互作用により、減衰が少なく、時間遅延が増加する (グループ遅延が増加する) システムになります。後者のため、動作領域内の高周波数では、平坦で安定した低音応答が他の音響出力と同時に発生しません。代わりに、低音応答は遅れて始まり (遅れ)、遅れが増加し、時間の経過とともに蓄積され、音響信号のメインの「本体」の後ろに到達する長めの共鳴「テール」になります。ポート付きエンクロージャは、その電気力学的特性により、4 次ハイパス フィルタ システムとして近似されますが、通常、2 次ハイパス フィルタ システムである密閉型スピーカー システムよりも低周波数での過渡応答が悪くなります。

この増強のもう 1 つのトレードオフは、ベント チューニング周波数より低い周波数では、ポートがコーンの負荷を軽減し、コーンが非常に大きく変位して動くことを可能にすることです。これは、スピーカーが、同等サイズの密閉型エンクロージャーよりもはるかに少ない電力で、チューニング周波数より低い周波数で安全な機械的動作限界を超えて駆動できることを意味します。このため、バスレフ設計を使用した高出力システムは、ベント チューニング周波数より低い信号を除去するハイパス フィルターによって保護されることがよくあります。残念ながら、電気フィルタリングにより、周波数に依存するグループ遅延がさらに追加されます。このようなフィルタリングを調整して音楽コンテンツを削除しないようにできたとしても、録音場所や会場のサイズや雰囲気に関連する音響情報 (低音スペクトルによく存在する情報) に干渉する可能性があります。^{[17] [18]}

適切に設計されたシステムでこれらの効果が聞こえるかどうかは、議論の余地があります。設計の悪いバスレフ システム (一般に、通気口の周波数が高すぎたり低すぎたりする誤ったチューニングが施されているシステム) は、チューニング周波数でスピーカー システムの通過帯域の残りの部分に比べて過剰な出力を生成する傾向があります。この動作により、低音域の再生に「ブーミング」な単音品質が加わることがあります。これはポートの共振が再生音にその特性を課すためだと考える人もいますが、これは単に周波数応答関数が最大限に平坦でない結果です。バスレフ エンクロージャの低音応答のこのようなピークが部屋の共振モードの 1 つと一致する場合 (これは珍しいことではありません)、効果はさらに悪化します。一般に、ポートの周波数が低いほど、これらの問題はそれほど問題になりません。

ポートは前面のバッフルに取り付けられていることが多く、そのためボックス内から反射された不要な中音域の周波数がリスニング環境に伝わってしまうことがあります。ポートが小さすぎると、ポート開口部の周囲で空気の速度が速いときに乱気流が発生するため、「風切り音」や「チャッ」という音も発生することがあります。^[19]背面ポートを備えたエンクロージャーは、これらの影響をある程度隠しますが、壁に直接設置すると聴覚上の問題が生じます。ポートが意図したとおりに機能するには、ポートの周囲にいくらかの空きスペースが必要です。一部のメーカーは、スピーカースタンドまたはベース内に床向きのポートを組み込んでおり、設計上の制約内で予測可能で再現性のあるポート性能を実現しています。

ポート圧縮とは、音圧レベルが上昇するにつれてポートの有効性が低下することである。 ^{[20] [21] [22]}ポート付きシステムの再生音が大きくなると、ポートの効率が低下し、ポートから発せられる歪みが増加する。これはポートの設計によって軽減できるが、完全になくすことはできない。^[23]高レベル使用時のドライバーコーンの非対称負荷は、ポートチューブの内側端にバッフルを配置することで軽減できる。このバッフルは、エンクロージャーの補強構造要素としても機能する。

ホームシアターや音響強化システムで使用されるサブウーファーキャビネットには、ポートや通気孔が取り付けられていることがよくあります。41 Hz 以下の低周波音を再生する必要があるベース アンプスピーカー キャビネットやキーボード アンプスピーカー キャビネットには、ポートや通気孔が取り付けられていることが多く、通常はキャビネットの前面にあります (背面に取り付けられている場合もあります)。高価なHi-Fiスピーカーの中には、慎重に設計されたポートを備えているものもあります。

• 音響サスペンション- 密閉されたボックスまたはキャビネット内に取り付けられた 1 つ以上のスピーカー ドライバーを使用するスピーカー キャビネットの設計および利用方法。
• スピーカーエンクロージャー
• パッシブラジエーター
• 伝送線路スピーカー