黒羽音響技研の実験室

黒羽音響技研のブログになります。 日常のことを書いていきます

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ばすた!!

こんばんわ!
突然ですが、スピーカーをつくろうと考えています。

事の発端は年末の宅呑み忘年会でのこと…
友人数名にいい加減に小出力パワーアンプをいい加減に作れよと言われてしまいったことから始まります。

うっしゃ!アンプ作るぜ!
あ…手元にリファレンスに使えそうなスピーカー無いじゃん…
麻布オーディオで販売しているMONITOR ZERO CHFを購入しようと思ったのです。
ですが…7万円も出せないよ…

ということで、手元にあるユニットで卓上オーディオに特化したスピーカーを作ろうと元日に思い立ったのです。
可能な限り最低限の試行回数で比較的まっとうなスピーカーが作りたい…

そこで、前回出張の際に立ち寄った麻布オーディオ京都店で教えていただいたスピーカー設計支援ソフトの導入を考えました。
おすすめされたソフトはBodzio Softwareが販売しているSound Easyというもので、海外通販で$250で購入できるます。
国内だと麻布オーディオにて取扱があるのですが納期が不明です。

Sound Easy

上記のリンクページ内の中央辺りから紹介が始まっています。
TSパラメーターによる解析やバッフル板による回折や3次元のなにか色々なすごいことが出来そうなソフトです。
やりたいことをやれるだけ全て詰め込んだソフトなので一癖も二癖もあるため使いやすいソフトではないようです。

しかし…
年末年始の出費が凄まじいことになっていることに加え、スピーカー作るお金残らないじゃないということで

比較的有名なThe Edgeというバッフルステップをシミュレーションするソフトを出しているTolvan Dataから出ている
全く使用レポートを聞いたことのないBasta!というソフトを購入しました。

The Edge


The Edgeはバッフル板によって回折する音をシミュレーションし低域での音圧変動を可視化するソフトになります。

Basta!

Basta!は機能制限版のフリーソフトで25ユーロ、日本円にすると約4000円を支払うことで機能制限が解除されるライセンスキーが送られてきます。
正直に言うと機能制限版に関しては全く使い物になりませんでした。

ここからは、機能制限版では出来ないことをソフトを紹介しつつ説明していこうと思います。

00ドライバ

ドライバーのタブではTSパラメーターを入力します。
ユニットごとの物理特性を示したTSパラメーターを入力することでユニットの特性をソフトウェア上で再現させることが出来ます。
すべての項目を入力する必要は無く、計算によって求められるものはBasta!が自動的に計算します。

機能制限版ではアイソバリック(タンデム駆動)やスピーカーユニットの個数を設定することが出来ません。

01バッフルデザイナー

バッフルデザイナーのタブではユニットの配置やバッフル板の形状、マイクのポジションを設定します。
機能制限版では複数のユニットを配置したものを1つのマイクで計測するシミュレーションが出来ない他、後述する壁の設定もできません。

先の画像の状態ではバッフル板によるバッフルステップ(音の回折による音場の変化)を考慮しない設定になっています。

02無限大バッフル特性

バッフルステップが存在しないので、無限大空間に置いた際の特性になります。
言い換えれば、ユニットのカタログスペックに近い特性になります。

03バッフルデザイナー

バッフルステップのシミュレーションを有功にし、バッフル板から背面にある壁までの距離を設定した画面になります。
この2つの機能は機能制限版では使用できません。

04周波数特性

バッフルステップにより、位相の異なる反射音が混ざりジグザグな特性となりました。
この場合、ウーファーとツイーターの2つの曲線は加算されていないため、全体の特性がわかりにくいです。

05表示設定

そこで、表示設定からシステムレスポンスの加算を有功にし加算させるものにチェックを入れます。

06加算周波数特性

これで加算された曲線が表示されます。
重要な機能なのですが、機能制限版では使用できません。

マルチウェイスピーカーを設計する際にはネットワークの設計も必要不可欠となってきますが、Basta!にはネットワークの設計を支援する機能も有ります。

07ネットワーク

インピーダンス補正回路やアッテネータを利用することが出来ます。
しかし、バッフルステップを軽減するための回路を挿入する際にはアドバンスドネットワークを使用します。

08詳細ネットワーク

ユーザーインターフェースがSPICE的なノードを用いた入力になります。
煩雑では有りますが、RCL回路であればどのようなネットワークでも組むことが出来ます。
このアドバンスドネットワークは機能制限版で利用することが出来ません。



とまぁ…こんな感じで約4000円払わないとほぼ使えないソフトとなっています。
逆に言えば4000円でこの機能が手に入るのは非常にリーズナブルな気がします。

おまけとして、Aurum Cantus G2Siというリボンツイーターの特性を模擬してみたのでそのパラメーターを乗せておきます。
リボンツイーターなので、位相を常に0度としf0より上は完全にフラットに設定しました。
これが、現実的に通じるモデルなのかどうかはスピーカーが完成して測定してみないことにはわかりません…

ドライバのタブ設定
エラーが出ていますがTSパラメーターはこんな感じででっち上げました

09 G2Si設定ドライバ

先のTSパラメーターの結果、非常に能率が悪くなるため入力電圧を変更し規定の音圧まで上昇させました。

ソースのタブ設定

12G2Si入力電圧設定

250Vって…
まぁ、再現できればいいかなって…
ボックスは無限大バッフルもしくは無限大キャビネットに設定しました。

11G2Siアドバンス設定

インピーダンスが下がりすぎたので純抵抗をアドバンスドネットワークで挿入しました。

バッフルステップ無しの周波数特性

13G2Si周波数特性

正しいかどうかは非常に怪しいところですが、Basta!を使ってAurum Cantus G2Siをシミュレーションする予定のある方の参考になれば幸いです。



Basta!で設計したデスクトップスピーカーの概略

■基本構成
バックキャビネット数:2
ツイーターキャビネット容量:1リットル(アコースティックサスペンションとする)
ウーファーキャビネット容量:4.5リットル

■使用ユニット
ツイーター:Aurum Cantus G2Si (汐さんの忘れ物)
ウーファー:YSC YS137G-PSC (B級品処分で買いました)

SPK.jpg


■ディバイディングネットワーク構成
構成:1.5Way
ウーファー側:バッフルステップ補正回路のみ
ツイーター側:3.5kHz 2次HPF 及び減衰器

Network.png


■周波数特性のシミュレーション結果
306.jpg


自作するなら自分にとっていいものをと思いまして、視聴距離の設定などは私の座高と椅子の位置から算出しました。
使用する木材はMDFの9mmと薄いため、エンクロージャー内部にシタンのφ20mm t10mmのチップを30枚程度貼り付ける予定です。

シミュレーション通りには行かないと思うのですが、うまく行ってくれると嬉しいな…
最後まで読んでいただき、ありがとうございます!
それでは次回!!!


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  1. 2014/01/10(金) 01:20:02|
  2. 設計
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TASCAM CD-500BのXLR出力をマイクレベルに落とすPADの設計

こんばんわー
ここ数日、急に暖かくなって来ました。

昼過ぎから日が落ちる前までのお出かけならコートも必要ない感じです。
週明けから寒くなるそうなので体調を崩さないように注意したいとことです。


さて、今回の記事の内容はPADの設計方法についてです。
その前にPADについて基本的な事項を説明していこうと思います。

■PAD?
PADというと聞き慣れない方が多いと思います。
当ブログを見ていただいている電子工作をされる方々には、
PADと書くよりATTと書いたほうが分かりやすいかもしれません。
基本的にPADはATTと同じ物を表します。
しかし、プロオーディオとくにPAやSRに於いてはPADという言葉が標準で使われます。
(読み方 ATT:アッテネーター PAD:パッド)


■PADは何をするか?
プロオーディオでは多数の音源をミキサに通してしてアンプに出力します。
そのため、ミキサの入力はラインレベルやマイクレベルと言った様々な入力信号の大きさに対応することが出来るように設計されています。(-60dBu~0dBu=775[uV]~0.775[V])
しかし、入力に一定上の大きな信号が入力されるとミキサの入力段が飽和し音が割れたり操作性が著しく悪化するといった事が起こります。

これを防ぐためにPADという機能が付随しています。
先にも述べた通りPADはATTと同義であり、信号を任意の大きさに減衰するものになります。

このPADはミキサの入力チャンネル毎に搭載されており、マイク等の微小な出力しか持たない機器を入力する場合はPADを外すことで減衰を行わず大きな増幅度を得ます。
逆に、CDP等の規格で定められ、マイクよりも遥かに大きな出力を持つ機器を入力する場合はPADを入れることで減衰を行い、初段の飽和を防ぎます。
(読み方 CDP:CDプレーヤー)


■そもそも何故PADを設計しようと思ったのか
ここ数日、ツイッターでTASCAMのCDPの出力レベルが大きすぎてフェーサー操作がしにくいという話を見かけました。
1年ぐらい前に後輩も同じ事を言っていたなと思いつつ、昔の記憶を思い出してみると…
昔のTASCAMのCDPには背面に出力レベル調整ツマミが付いていたのですが、今は背面にツマミなんか付いていないし開けても調整できないモデルもあります。
基本的にTASCAM CD-500Bの出力レベルに関してはテクニカルサポートでの対応になると説明書には明記されています。
ならば、TASCAMの出力レベルをいっその事マイクレベルまで下げちゃうATTを設計しよう。
というのが事の発端です。
(マイクレベルま下げる理由はYAMAHA LS9等のデジタルミキシングコンソールの場合PADがシームレスになっていて、ゲインを一定以下に下げることで入るようになっているそうです。問題はその瞬間にカチンというリレー音と共に出音が途切れるからです。)


ここからが本題となります。


TASCAM CD-500BのXLR出力をマイクレベルに落とすPADの設計
※全ての数式と回路図はクリックすると大きい画像を表示します

①目的
ミキサはYAMAHA LS9,MG32,GF24を標準とし、通常入力チャンネルを使用したとする時にTASCAM CD-500Bの出力をマイクレベルまで減衰するものとする。

②仕様を調べる
CD-500B
 出力インピーダンス:150[Ω]
 出力規定レベル:+4[dBu] (=1.228[Vrms])
YAMAHA LS9,MG32,GF24
 入力インピーダンス:3[kΩ]
 目標入力レベル:-60[dBu] (=775[uVrms])

③PADの設計を行う
今回設計するPADはπ型やO型と呼ばれるものになります。
回路図は以下のようになります。

ATT-01.jpg

PADと一言で言ってもπ型以外にもU型やT型など様々あります。
記事を書く以前に設計をしてみたのですがπ型以外だと極端に低い抵抗値を使用するため、今回のような減衰量の大きなPADの場合はπ型が良いと考えられます。

計算の方に移って行きましょう。
まず、PADで減衰させる減衰量を求めます。
マイクレベルは-60[dBu]でCDPからの出力は+4[dBu]となっているので

mt1-01.jpg

上記のように加算によって求めます。
続いて、入力信号を何分の1にするかを決定するKを求めます。

mt1-02.jpg

信号減衰比などと言ったりしますが、アンプで言う利得を増幅度に変換するのと同じ原理です。
計算をしやすいように予め定数であるgとSを以下のように計算します。
Sは入出力インピーダンスの関連式でZiは入力インピーダンス、Zoは出力インピーダンスとなります。
ここでは信号インピーダンスを完全にマッチングする事として、Zi=150,Zo=3000とします。

mt1-03.jpg

mt1-04.jpg

実際にR1-R3までの各抵抗値を求めていきます。

mt1-05.jpg

mt1-06.jpg

mt1-07.jpg

以上の計算結果から抵抗値を記入した回路図は以下のようになります。

ATT-02.jpg


④設計したPADを検証する
設計したPADに+4[dBu]の信号を入力した場合の出力電圧を検証します。
機材間の接続まで考慮した回路図は以下のようになります。

ATT-05.jpg

まずCDPからの信号インピーダンスとPADのインピーダンスによって生じた電圧降下を考慮してPADに入力される電圧Vi'を求めます。

mt1-08.jpg

続いて、PADへの入力電圧Vi'からPADが成す分圧回路の式を解き、出力される電圧を求めます。

mt1-09.jpg

目標の電圧が775[uV]に対して、このPADでは1.738[mV]と一桁高い電圧が出力されています。
目標値の775[uV](-60[dBu])に対して、どの程度減衰量が異なるかを以下の式で求めると、

mt1-10.jpg

となり、7.237[dB]ほど減衰量が足りていないことになります。


⑤補正を行う
先に設計したPADだと-57dBしか実現できていないので、補正を行い-64[dB]を得るようにします。
設計手法自体は前述と同じですが、減衰量に補正を行います。
補正方法は先に設計したPADの減衰量に不足している減衰量を以下の式のように加算します。

mt2-01.jpg

続いて、定数K,g,Sを再度計算します。

mt2-02.jpg

mt2-03.jpg

mt2-04.jpg

入出力インピーダンスには変更がないのでSは変わりません。
補正した定数Kを用いて再度R1-R3の抵抗値を実際に求めると、

mt2-05.jpg

mt2-06.jpg

mt2-07.jpg


となり、PADの回路図は以下のようになります。

ATT-03.jpg


⑥補正したPADを検証する
補正したPADに+4[dBu]の信号を入力した場合の出力電圧を検証します。
機材間の接続まで考慮した回路図は以下のようになります。

ATT-06.jpg

回路図の抵抗値はE系列に合わせて修正していますが、以下で行う計算はE系列に合わせていない抵抗値で行います。
まずCDPからの信号インピーダンスとPADのインピーダンスによって生じた電圧降下を考慮してPADに入力される電圧Vi'を求めます。

mt2-08.jpg

続いて、PADへの入力電圧Vi'からPADが成す分圧回路の式を解き、出力される電圧を求めます。

mt2-09.jpg

目標の電圧が775[uV]に対して、このPADでは752.5[uV]とほぼ近似した電圧が出力されています。
目標値の775[uV](-60[dBu])に対して、どの程度減衰量が異なるかを以下の式で求めると、

mt2-10.jpg

となり、0.03[dB]ほど過剰に減衰していますが問題無さそうです。


⑦抵抗値をE24系列に合わせる
先に書いてしまったのですが、計算によって求められた以下の回路図を

ATT-03.jpg

市販されていて入手性が良いE24系列の抵抗値に修正したのが以下の回路図になります。

ATT-04.jpg


⑧入出力インピーダンスを検証する
ここでは、目標通り入力インピーダンスが150[Ω]、出力インピーダンスが3[kΩ]となっているかを確認します。
入力から見た時と出力から見た時に回路図を書き直すと以下のようになります。

ATT-07.jpg

まず、入力インピーダンスを考えると、150[Ω]の抵抗に1243[kΩ]の抵抗が並列になっているので
入力インピーダンスはほぼ150[Ω]となります。
実際に計算すると150.0[Ω]になります。

次に、出力インピーダンスを考えると、3[kΩ]の抵抗に1240[kΩ]の抵抗が並列になっているので
入力インピーダンスはほぼ3[kΩ]となります。
実際に計算すると2.993[kΩ]になります。


⑨補足事項
電圧の計算を行う際にA//Bというような電気でしか使われないような特殊な表現をしました。
これは抵抗器の並列回路において合成抵抗値を求める事を意味しています。
実際は以下のように計算を行います。

mt0.jpg





さて…
こんな感じでPADの設計をしたは良いのですが…

そもそもPADに高精度なんて求められていません!
さらに、-64[dB]とか減衰しすぎで出力インピーダンスが3[kΩ]とか!

実用性は非常に無いような気がします。
想定された機材構成なら確実にマイクレベルになると考えられますが、保証出来ません。
ごめんなさい。

今回のπ型PADの設計方法は
Handbook for Sound Engineers 4th Edition (pp767-777)
あたりに記載されています。
洋書で高価なので図書館などで読むことをオススメします。

また、lin​ear​_pc​m01​53さんのブログにあるエクセルシートを使うと非常に簡単に求められると思います。
lin​ear​_pc​m01​53さんのブログへのリンク

PADに高精度は要求されないのでlin​ear​_pc​m01​53さんのエクセルシートがベストエフォートです!!!
全力でオススメします。



久しぶりに数式満載な記事を書かせていただきました…
次回は何か作る系の記事を書きたいですね。
それでわ!!


テーマ:テクノロジー・科学ニュース - ジャンル:ニュース

  1. 2013/02/03(日) 23:42:16|
  2. 設計
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サボ!

お久しぶりです!

1ヶ月近く放置していました…
申し訳ないです。


さて、もうすぐ夏コミだというのに試作機1つ上がっていない状態です。
そのため夏コミの頒布物がマイクプリアンプの基板+マニュアルだけになります。

”かもしれません”と書こうとしたのですが時間的に熟考している時間がないのでパワーアンプの方は見送ります。
中途半端な物はもう二度と出したくないので見送ります。

1ヶ月ぶりの更新の内容が暗い方向のものばかりなので、現状設計が終わった所を載せてみます。

今回掲載するのはマイクプリアンプのファンタム電源の回路になります。
まだ試作をしていないので多分燃える… いやきっと大丈夫な筈ですが作らないでください。
やっぱりダメでした。燃える以前にオペアンプのブートストラップが上手く動きませんでした。
(7/13追記)

■回路図(クリックすると大きな画像が見れます)
PSU1.jpg

■部品表(クリックすると大きな画像が見れます)
PSU2.jpg


これ…
48V/40mAを供給する程度の能力しか無いんだぜ…
しかもファンタム電源を低雑音化したってCMRRが働くから意味ないんだぜ…

とまぁ、わかりきっているのですが
やりたいことをやったらこうなりました!

そんな感じで、次回の更新はメイン回路の話を出来るように頑張ります
それでは!



  1. 2012/07/09(月) 22:43:21|
  2. 設計
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TL431を用いた定電流源回路の考察

こんにちわ!!
まったりと夏休みを凄いしていたら今日で最後になってしまいました・・・
大学に通うようになってから夏休みはバイトやら電気自動車の大会やらでまったりしたことが無かったので
今回はバイトもせずにグダグダしてました。
んー・・・
何かしらバイトやら研究やらをしたほうが充実してるんじゃないかなと思った・・・


さて、今回はTL431を用いた定電流源回路の考察になります。
TL431はテキサス・インスツルメンツやSTマイクロ、フェアチャイルドなどから出ているシャントレギュレータICになります。
非常に便利で比較的に性能が高いことと安価なことから私はよく利用しています。
秋月電子で安価に購入できるのが何よりものメリットですね。


■小言
秋月電子で販売されているものはSTマイクロ製になります。
部品の末尾に付くACZ等は形状とランクを意味しています。
ランクは温度特性や電圧確度を指しています。


■TL431内部回路
TL431-1


■TL431動作原理の簡単な説明
先に示した通りTL431はオペアンプとトランジスタ、ダイオードの3つの要素で構成されています。
TL431にはRef端子、カソード(C)端子、アノード(A)端子の3つがあります。
アノード-カソード間の電圧をVoとし内部のリファレンス電圧をV2、Ref端子への入力電圧をV1とします。
内部のリファレンス電圧はデータシートに記載されています。2.495Vだったような・・・?
前置きが長くなりましたが、手っ取り早く動作原理を説明すると
V1=V2を満たすようにVoが変化します。


■TL431を用いた定電流源回路(掃出型)
TL431-2
電流の可変範囲は1~2mAです。


■TL431を用いた定電流源回路(引込型)
TL431-3
電流の可変範囲は1~2mAです。



と・・・まぁ2つの回路を考えましたが・・・
そもそも、R1とVR1を使用してTL431のアノード-カソード間の電圧を変化させた理由はR2に可変抵抗器を
使いたくなかったからなのですが・・・
1~2mA程度の可変範囲であれば関係ないような気がします。
R2の抵抗値を変化させることで電流を調整したほうが部品点数が減らせる気がします。

となると、此処まで書いた意味は・・・!!!?
きっとこれは、落としたトーストがバターを塗った面を下にして着地する確率は、カーペットの値段に比例する。
とかいう”あの”法則に則っているのだろうなとかなんとか・・・


こんな内容ですいません。。。
次回もお付き合いいただければ嬉しいです!
それでわ!!


  1. 2011/09/07(水) 10:05:16|
  2. 設計
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Project180-Darkness

こんばんわー
そこはかとなく原稿が進みません。
この一週間はネームをちまちま書いているだけで原稿の入力さえもしていない始末・・・

このままではマズイと思い、第5章のキットの設計段階の話を書くためにもProject180の別バージョンを考えていました。
オーソドックスなディスクリートなアンプを集積回路を使うことで面白くしてみようと思ったのがきっかけです。


クリックすると拡大します

darkness



まぁ・・・実現するかどうか分かりませんし、到底売れそうな気配もしませんが・・・
作れたら面白いなと思っていますので、作ろうと思います。
もし、こんなのでもキットとして欲しいという方が入れば拍手をしてもらえばモチベーションが上がるかもしれませんw


原稿の方は第2章まで完成しました。
今週中にはサンプル出力をしてみてどんな感じになるかを確認したいと思っています。

さて・・・原稿に使うネジの絵をCADで書いてきますかね・・・

  1. 2011/06/19(日) 22:19:09|
  2. 設計
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プロフィール

黒羽トア

Author:黒羽トア
初めましての方初めまして!
こんにちわの方こんにちわ!
コミケでヘッドフォンアンプのキットを頒布していたりする黒羽音響技研のトアです。

こちらの方はブログになります。
日常のこと、ちょっと気になった技術ネタ等を書いていこうと思っています。

よろしくお願いします!

■黒羽音響技研ホームページ

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